1. A kutatás célja
A doktori iskola megismeréskutatási programján belül a következő kérdésekre keressük a választ a jelen pályázat támogatásával:
Mennyire ingerfüggőek illetve genetikailag meghatározottak az emberi látókéreg strukturális változásai? A genetikus és környezeti hatások kognitív fejlődésre tett összjátékának vizsgálatára az emberi látókéreg kivételesen alkalmas terep, mivel a látókéreg, ugyan már specifikusan emberi megismerő funkciókat alapoz meg, struktúrájában mégis hasonlít az alacsonyabb rendű gerinces fajok hasonló agyterületeihez. Kiindulásként tehát lehetséges ’állatmodellt’ alkalmazni. Humán elektrofiziológiai vizsgálatainkban a mélységlátást megalapozó binokuláris rendszer működését vizsgáljuk, mely esetében az állatmodell a mélységlátás fokozott genetikai előreprogramozottságát és csekélyebb ingermeghatározottságot jósol. Eddigi eredményeink azonban arra utalnak, hogy az emberi látókéreg, ettől eltérően, szélsőségesen ingerfüggő strukturális változásokra képes. Kísérleteink ennek a hipotézisnek a megerősítését célozzák. További humán kognitív funkciók ilyen értelmű vizsgálatát is tervezzük.
Melyek az emberi készségtanulás zavarainak meghatározó tényezői?
Az emberi készségtanulás és az alvás összefüggéseit vizsgáló munkánkban genetikusan meghatározott fejlődési zavarokkal élők és tipikusan fejlődő emberek esetén vizsgáljuk az érzékeléssel kapcsolatos és mozgásos készségtanulási folyamatokat. Eddigi eredményeink alapján, az alvás nyilvánvaló fontos szerepén túl, specifikus neurális hálózati sajátosságok hozhatóak összefüggésbe a fejlődés zavaraival, melyeket agyi képalkotó eljárások segítségével fogunk még pontosabban feltárni.
Milyen tanulási mechanizmusok sérülnek a specifikus nyelvi zavarral élők esetén?
A specifikus nyelvi zavarral élő gyerekek elsősorban a nyelvi képességek területén küzdenek nehézségekkel, miközben nincs halláskárosodásuk, neurológiai zavaruk, érzelmi vagy társas problémájuk, értelmi sérülésük és átlagos környezetben nevelkednek. Célunk a nemnyelvi tanulási mechanizmusok és a nyelv kapcsolatának pontos tisztázása viselkedéses és agyi képalkotó eljárások segítségével.
Melyek a skizofrénia kóroki alcsoportjai?
Bár a skizofrénia világszerte jelentős népegészségügyi probléma, mivel az alapvető kóroki folyamatok nem tisztázottak, oki kezelés nem áll rendelkezésre. Szisztematikus neurokognitív vizsgálataink két klasztert azonosítottak a betegségen belül, melyek hátterében különböző patofiziológiai folyamatokra utaló eltéréseket találtunk. Következő lépésként a klinikai tünetek kifejlődését megelőzően is kimutatható fejlődési markerek azonosítását tűztük ki célul, ami a veszélyeztetett gyermekek kiszűrését teszi lehetővé.
2. Technikai leírás
A csecsemők és koraszülöttek tanulási-fejlődési folyamatainak vizsgálata azért rendkívül fontos, mert náluk disszociálni lehet a neurális érés és a perceptuális tapasztalat hatását a fejlődési folyamatra nézve. A Pécsi Egyetemmel együttműködésben vizsgáljuk a humán elsődleges látókéreg binokuláris funkciójának kialakulását. Az általunk kidolgozott módszer lényege, hogy egy olyan vizuális funkciót mérünk agyi ingerfüggő kiváltott potenciál eljárással, amelynek csecsemőkori megjelenése nem folyamatos (mint a legtöbb funkcióé), hanem hirtelen: 2-3 hónapos korban mutatkozik először. A két szem független dinamikus zajjal történő ingerlését korrelált mintázattal váltogatjuk, s a korrelációra occipitálisan megjelenő EEG jelet keresünk.
A genetikai meghatározottságú kognitív fejlődési zavarok esetén az elmúlt néhány év során világossá vált, hogy a jól körülhatárolható genetikai háttérrel rendelkező zavarok esetén is nagyon változékony a zavarok viselkedéses megjelenése. Williams szindrómás (WS) betegcsoporttal végzett vizsgálataink meglepő eredménye, hogy bár a genetikai „hiány” igen kicsiny és definiált (1.6 Mb mikrotörés a 7q11.23 kromoszómán), még a legegyszerűbb perceptuális és motoros készségekben is rendkívül nagy beteg-populáción belüli eltérések mutatkoznak. Kidolgoztunk egy új eljárást, amellyel ezek a nagy egyéni eltérések úgy elemezhetők, hogy értékes információ birtokába jutunk a betegség kialakulásával kapcsolatban. Ahelyett, hogy a WS populáció átlagát tekintenénk, a betegek eredményeit egyénileg vetjük össze a normálisan fejlődő populáción gyűjtött adatokkal. A tipikusan fejlődő populáció elemi perceptuális és motoros készségeinek felderítésén túl az ezekben mutatott tanulási képességeiket is feltérképeztük, és ún. fejlődési-tanulási görbéket hoztunk létre. A standard fejlődési-tanulási görbéktől való egyéni eltérések alapján disszociálni tudjuk a WS betegek genetikailag meghatározott strukturális anatómiai elváltozásait (V1 ill. M1 térfogat és neuronális kapcsolatok), valamint az epigenetikus tényezőket (pl. alvászavarok). A viselkedéses vizsgálatok alapján tett „jóslatokat” azután genetikai és poliszomnográfiai (EEG) vizsgálatokkal ellenőrizzük (lásd továbbá lent, a szuperszámítógépre vonatkozó részben).
Bár egyes javaslatok szerint SNYZ-ban a nyelv szelektíven sérül az egyébként érintetlen kognitív rendszerben, számos eredmény azt mutatja, hogy gyakran nemnyelvi területeken is deficitek figyelhetők meg, de ezeknek a természete, mértéke és általánossága még nem tisztázott, mint ahogy az sem, hogy milyen kapcsolatban állnak a nyelvi képességekkel. Miután magyar SNYZ-ral élő gyerekek nyelvi képességeit részletesen feltérképeztük, most a szekvenciális és nem szekvenciális információ procedurális tanulásának vizsgálatára összpontosít ugyanebben a csoportban, és teszteli a tanulás ilyen formáinak kapcsolatát a nyelvi képességekkel (a szókincs és a nyelvtan területén is). A procedurális tanulás mechanizmusainak és tartományainak lehetséges disszociációit három különböző paradigmával vizsgáljuk: Mesterséges Nyelvtan Tanulás. (AGL), Szeriális Reakcióidő Feladat (SRT) és Valószínűségi Kategóriatanulás feladat (PCL).
Skizofrénia esetén a fenotípust ma a klinikai tüneteken alapuló kórisme jelenti, a diagnosztikai rendszerek koncepciója azonban túlegyszerűsített. A Szegedi Tudomány Egyetem Pszichiátriai Klinikájával együttműködésben végzett saját szisztematikus neurokognitív elővizsgálataink két klasztert azonosítottak a betegségen belül, melyek hátterében különböző patofiziológiai folyamatokra utaló eltéréseket találtunk. Módszereink a standard pszichiátriai teszteken túl a kísérleti pszichológia vizsgáló módszereit alkalmazzák, úgy mint az emlékezeti gátlást vizsgáló szóasszociációs és szófelidézési tesztek, és a pszichofizika egyéb viselkedéses tesztjei.
A klaszter alapú szuperszámítógép szerepe
Az alvásvizsgálatok (lásd 2. pont) során keletkezett adatok elemzése rendkívül nagy műveletigényű jelfeldolgozási feladat. Egy éjszakai alvás során (az általunk használt 28 csatornás EEG elvezetéssel és 1024 Hz-es mintavételezéssel számolva) több mint 4 GB adat keletkezik. Az alvásvizsgálatok elemzése során az első lépés az alvás aktuális fázisát leíró hypnogram meghatározása. Ehhez az egész felvételen 20 másodperces ablakokkal végigmegyünk és minden ablak esetében vizuálisan meghatározásra kerül, hogy az alany éppen az alvás melyik fázisában tart. Minden lépés esetén a kiértékelő szoftver nagy mennyiségű új adatot olvas be. Az adatokat bizonyos frekvenciatartományokra szűrni kell, hogy a kiértékelést megnehezítő zajokat eltávolítsuk a jelből. A frekvenciatartománybeli zajszűréshez Fourier-transzformáció segítségével meg kell határozni az EEG jel spektrumát, elvégezni a szűrést a frekvenciatérben, végül inverz Fourier-transzformációval kapjuk vissza a szűrt jelet. Mindezen feladatok elvégzése nagyjából „real time” lenne szükséges, a mai személyi számítógépek teljesítménye mellett azonban a kiértékelést végző szakértő számára hosszadalmas várakozást jelent, a kiértékelést nagyban lassítja.
A kész hypnogram alapján a teljes éjszakai alvás EEG felvételből további statisztikai adatokat nyerünk ki. Meghatározásra kerül az egész éjszakai alvás EEG spektruma (négy másodperces átfedő szakaszok, a végén összeátlagolva) Fourier-transzformáció segítségével, valamint a spektrum egész éjszakára vonatkozó bizonyos statisztikai jellemzői, úgymint abszolút és relatív aktivitás 1 Hz-es binenként minden EEG csatornára külön-külön, illetve kitüntetett frekvenciasávonként (delta, theta, alfa, beta, gamma aktivitás). A teljes éjszakai alvásfelvételben egy automatizált algoritmussal keressük az egyes alvási orsókat (12-16 Hz-es orsó alakú jel az EEG csatornákon, mely lényeges szerepet játszik a memóriakonszolidációban). Mindezen számítások elvégzése egy alany egy éjszakai alvása esetén az eddig használt számítógépeinken akár több napot is igénybe vett, ezért az elemzéseinket a továbbiakban a jelen pályázat keretében beszerzett klaszter alapú szuperszámítógépen számítógépen tervezzük elvégezni.
3. A várt eredmények összefoglalása
Azt várjuk, hogy az EEG vizsgálatok eredményeként kimutatható, hogy a binokuláris korreláció detekciójának kora-csecsemőkori fejlődése emberben elsősorban input-vezérelt.
Tipikusan fejlődő gyerekek és fiatalok körében, valamint a genetikai alapú fejlődési rendellenességgel élők procedurális tanulásra való képességének vizsgálatában azt várjuk, hogy a tanulási zavarok hátterében (1) agykérgi strukturális probléma, (2) alvászavar, vagy (3) mindkettő állhat. Az alváslaboratóriumi poliszomnográfiás, valamint ambuláns poliszomnográfiás alvásvizsgálatok eredményeként nem egyszerűen általános pervazív tanulási zavarokat, s ezek hátterében álló súlyos alvászavarokat várunk, hanem ennél sokkal árnyaltabban, egyénileg definiálható tanulási illetve alvási problémák feltárását.
Azt várjuk, hogy eredményeink rámutatnak, hogy a nyelvi rendszeren, és a szekvenciális szerveződésen túlmutató problémákkal is számolnunk kell. Várható, hogy a mesterséges nyelvtan tanulás is sérül, de a tanulás sértetlen az SRT feladatban, amely helyek sorozatának implicit megjegyzésére épül.
A kutatás eredményeként várható a kóroki alcsoportok és az összefüggő kritikus patofiziológiai folyamatok azonosítása, fenotípus meghatározási módszertan kidolgozása, nemzetközi publikációk, kézikönyv az elmebetegségek neurobiológiai vonatkozásairól. A megvalósulás valószínűsége eredményeink alapján magas, a veszélyeztető tényezők kockázata alacsony.
4. Az elérni kívánt eredmények jelentősége és alkalmazásai
A hosszú múltra visszatekintő „NATURE / NURTURE” vitában eredményünk lehet az első olyan bizonyíték, amely egy agykérgi funkció esetén egyértelműen a „NURTURE” mellett szól. Ennek alapkutatási és elméleti relevanciáját a humánspecifikus kognitív funkciók területén kiegészíti a módszer egészségügyi szűrővizsgálatokban való alkalmazhatósáfga. A vizsgált korcsoportban (0-4 hónap) a létező szemészeti vizsgálatok köre erősen limitált és kevéssé objektív, mindamellett, hogy a rendellenességek korai korrekciója vitális jelentőségű lehet. Módszerünk, mely objektíven jelzi a látórendszer esetleges károsodását, lehetőséget teremt a korai pontos diagnózisra.
Eredményeik arra engednek következtetni, hogy nem annyira a funkcionális keretek fenomenológiailag megragadható aspektusai (alvással töltött idő, alvás minősége), mint inkább e kereteken belül kibontakozó neurális hálózati sajátosságok hozhatóak összefüggésbe a fejlődéssel és plaszticitással. A tanulás és fejlődés meghatározó agyi mechanizmusainak feltárása felveti a lehetőséget a fejlődési zavarokkal küzdő egyének esetén az eredményes beavatkozásra.
A kutatás eredményeként azt reméljük, hogy a nemnyelvi tanulási mechanizmusok és a nyelv kapcsolatának pontosabb tisztázására kerül sor, mely nem csak alapkutatási, de pedagógiai szempontból is releváns lesz.
A skizofrénia világszerte az egyik legnagyobb népegészségügyi probléma, egyben az egyik legnagyobb anyagi ráfordítással kutatott betegség. Mivel az alapvető kóroki folyamatok nem tisztázottak, oki kezelés nem áll rendelkezésre. A betegség fenotípusának tisztításával alapkutatásunk a kóroki kutatások célmeghatározásának pontosabbá válásához, valamint speciális kezelési és rehabilitációs eljárások kifejlesztéséhez nyújthat segítséget; a klinikai tünetek kifejlődését megelőzően is kimutatható fejlődési markerek azonosításával pedig a veszélyeztetett gyermekek kiszűrése is lehetővé válhat.
PROJEKT ELŐREHALADÁSI JELENTÉSEK
Időtartam: 2012. január 1. - 2012. június 30.
A Pszichológia Doktori Iskola három kutatási feladatával kapcsolatban a következő haladást értük el az adott időszakban:
1. Az emberi tanulás mechanizmusai és zavarai.
A Kontúrintegrációs paradigmával (CI) végzett tanulás vizsgálatok eredményei alapján a vizuális perceptuális tanulást meghatározó agykérgi strukturális és funkcionális komponenseket térképezzük fel. A fejlődés során tapasztalható elsődleges látókérgi strukturális /érés/ változások hatását vizsgáltuk a CI feladatban mutatott alapteljesítményre, illetve a különböző életkori csoportok tanulási mintázatát elemeztük és hasonlítottuk össze perceptuális és tanulási zavarokkal élő, atipikus csoportok /Williams (WS) és Down szindróma (DS)/ teljesítményével. Eredményeink alapján a tipikusan fejlődő populációban a kontúrintegrációs képesség csak 14 éves kor körül éri el a felnőtt szintet. A tanulási görbéket elemezve kitűnik, hogy a fiatalabb életkori csoportok teljesítménye gyorsabban és nagyobb mértékben változik. A WS és DS populáció heterogén mind a feladatban való alapteljesítmény, mind a gyakorlás hatására bekövetkező fejlődés tekintetében. A DS személyeket magasabb alapteljesítmény jellemezte a feladatban, míg a tanulási kapacitásuk a WS-nél gyengébb volt. Eredményeink szerint disszociálódik a feladatban mutatott alapteljesítmény és a gyakorlás hatására bekövetkező javulás mértéke.
A munka alapján írt közlemény elfogadásra került:
Gerván P, Gombos F, Kovacs I: Perceptual learning in Williams Syndrome: Looking beyond averages.
PLOS ONE in press: (2012) IF: [4.411**]
2. A binokuláris látás fejlődése.
A mélységlátás előfeltételei már a csecsemő megszületése előtt két hónappal megvannak – ez a végső következtetése nemrégiben megjelent tanulmányunknak. Koraszülöttek vizsgálatával kerestük a választ arra a kérdésre, hogy vajon mi történik azon három hónap alatt, amíg egy egészséges csecsemőben kialakul az úgynevezett sztereolátás. A koraszülöttek látórendszere átlagosan két hónappal több ingerlésnek van kitéve a normál időre született társaikéhoz képest. Az agykérgi jelek mérésére (Visual Evoked Potential, VEP) alkalmas eszközzel összesítettük a két szemen keresztül érkező és a már kialakult, sztereolátással rendelkező agyban indukált válaszokat. Az eredmények szerint a vizsgált koraszülött csecsemőknél a két hónapon át tartó extra ingerlés nyomán, már születésük után három hónappal kimutatható a sztereolátás jelenlétére utaló agykérgi hullám, épp úgy, mint az időre született egészséges csecsemők esetében. Mindez azt jelzi, hogy az emberi agy jóval plasztikusabb és érzékenyebb a külső ingerekre, mint eddig azt sejtették. Egyben bemutattuk a látás egy ezzel ellentétes fejlődését is, amelyet ebben az esetben nem külső környezeti inger, hanem a fogantatástól eltelt idő határoz meg. Ez a funkció a koraszülötteknél mindig pontosan annyival később alakult ki, mint amennyivel korábban a világra jöttek.
A munka alapján írt közlemény megjelent:
G Jandó, E Mikó-Baráth, K Markó, K Hollódy, B Török, I Kovacs: Early onset binocularity in preterm infants reveals experience-dependent visual development in humans. PROCEEDINGS OF THE NATIONAL ACADEMY OF SCIENCES OF THE UNITED STATES OF AMERICA (ISSN: 0027-8424) in press: pp. Early edition 1-Early edition 4. (2012) IF: 9.771**
A munka máris jelentős nemzetközi visszhangot váltott ki: Los Angeles Times , New Scientist
Időtartam: 2012. július 1. - 2012. december 31.
A Pszichológia Doktori Iskola ebben a beszámolási periódusban „Az emberi tanulás mechanizmusai és zavarai” témában ért el újabb eredményeket. Konkrétan az implicit tanulás mechanizmusait tártuk fel Specifikus Nyelvfejlődési Zavarban. Vizsgálatainkban először három különböző feladat implicit tanulási teljesítményeinek életkori változásait követtük nyomon 7 és 80 éves kor között:
1) a mozgásszekvenciák elsajátítását vizsgáló szeriális reakcióidő (SRT) feladat,
2) a hallási szekvenciákban rejlő szabályosságok kiemelésének képességét vizsgáló mesterséges nyelvtan tanulási feladat (AGL)
3) és egy valószínűségi kategorizációs (PCL-WP) feladat eredményei alapján.
Az életkori változások mindhárom feladatban a következő általános képet mutatják: a tanulás a gyerekkor során egyre hatékonyabbá válik, felnőttkorban (különböző időablakokban) tartósan hatékony marad, majd lassú hanyatlásnak indul. Mindegyik feladat olyan általánosabb tanulási képességeket vizsgál, amelyek összefüggésbe hozhatók a nyelvelsajátítás különböző aspektusaival, sérülésük a nyelvi képességekre is kihatással lehet, ezért az implicit tanulás három fenti formáját Specifikus Nyelvfejlődési Zavarban (SNYZ) is vizsgáltuk. 29 Specifikus Nyelvfejlődési Zavarral diagnosztizált gyereket teszteltünk, eredményeiket életkorban illesztett tipikus fejlődésű gyerekek nagyobb csoportjához hasonlítottuk. Az SRT és az AGL feladatokban arányaiban jelentősen kevesebb gyerek tanult az SNYZ, mint a tipikus fejlődésű csoportban, feladatban (13/29 tanuló az SRT, 7/29 tanuló AGL feladatban az SNYZ csoportban; 101/159 tanuló az SRT, 83/159 tanuló az AGL feladatban a tipikus fejlődésű csoportban. A PCL-WP feladatban az első elemzések szerint ugyanolyan a tanulók aránya a két csoportban. Azok a gyerekek, akik tanultak, mindkét csoportban ugyanolyan mértékű teljesítményváltozást mutattak (jelentős egyéni variabilitást mutatva). Ezek az adatok összességében azt mutatják, hogy az implicit tanulási képességek hajlamosak sérülni SNYZ-ban, de nem minden gyereknél. A további kutatások feladata az implicit tanulási képességek és a nyelvi sérülés összefüggésének tisztázása.
A binokuláris látás fejlődése című részfeladat korábban lezárult. Lásd: PEJ02.
Konferenciaelőadások és poszterek:
Lukács, Ágnes; Kemény, Ferenc (2012) Different forms of implicit learning in typical development and SLI. 4th UK Cognitive Linguistics Conference, London, 2012. július 10-12. Előadás
Lukács, Ágnes; Kemény, Ferenc (2012) Different forms of implicit learning in typical development and SLI. SLI – Specific Language Impairment – diagnosis, prognosis, intervention. Warsaw, 5-8 July 2012. Poszter.
Lukács, Ágnes; Kemény, Ferenc (2012) Different forms of implicit learning in typical development and SLI. Lifespan perspectives on implicit and explicit learning. Brussels, 8-9 September 2012. Poszter.
Lukács, Ágnes; Kemény, Ferenc (2012) Age-related changes in three different forms of implicit learning across the lifespan. Lifespan perspectives on implicit and explicit learning. Brussels, 8-9 September 2012. Poszter.
