A pupilla a szem szivárványhártyáján található, kívülről feketének látszó nyílás. Fő feladata, hogy szabályozza a szemünkbe jutó fény mennyiségét. Átmérője csökken, amikor egy sötét szobából fényre lépünk, és ezáltal csökkenti a retinánkat elérő fény mennyiségét. Fordított esetben, ha a környezet megvilágítottsága csökken, a pupilla kitágul, és ezáltal biztosítja, hogy sötétben is elegendő fény jusson a szemünk hátsó falán található látósejtekhez. Azonban érdekes módon a fényviszonyok mellett bizonyos mentális folyamatok is a pupilla méretének változásait okozhatják.
A cikk az Élet és Tudomány – BME – Pro Progressio Alapítvány idei tudománynépszerűsítő cikkpályázatának II. díját nyerte kutatói-oktatói kategóriában.
Amikor izgatottak vagyunk vagy valamilyen érzelmet (örömöt, dühöt, félelmet) élünk át, pupillánk kismértékben kitágul. Hasonló pupillatágulást, vagy szakszóval pupilladilatációt váltanak ki az összpontosítást igénylő gondolkodási folyamatok és a hirtelen, váratlanul megjelenő ingerek is. A jelenség hátterében az áll, hogy a pupilla méretét meghatározó idegrendszeri hálózatok az említett mentális jelenségekkel is kapcsolatba hozhatók. Ezáltal a pupilla átmérőjében bekövetkező változások vizsgálata, a pupillometria hozzájárulhat a mentális folyamatok idegrendszeri hátterének megértéséhez.
A módszer egyik ígéretes alkalmazási területe a kognitív pszichológia és a kognitív idegtudomány. E két tudományterület azt vizsgálja, hogyan észleljük, tároljuk és használjuk fel a beérkező információt, és mi ezeknek a folyamatoknak az idegrendszeri alapja. Ebben az elméleti keretben az észlelés, a figyelem vagy az emlékezet a környezet leképezését elősegítő megismerő, azaz kognitív folyamatként fogható fel.
Számsorok és szópárok
A pupilladilatáció és a kognitív folyamatok közti kapcsolat szisztematikus kutatása a múlt század 60-as éveiben kezdődött meg, többek között egy 1966-os, a Science folyóiratban közölt eredmény hatására. A szerzők, Daniel Kahneman és Jackson Beatty egy egyszerű emlékezeti feladat elvégzésére kérték a kísérleti személyeket: legalább 3, de legfeljebb 7 elemű számsorozatokat kellett megjegyezniük, majd pár másodperc múlva elismételniük. A feladat közben megfigyelték a pupilla méretének változásait és azt találták, hogy a számok fejbentartása alatt a pupilla átmérője kismértékben, 0,2-0,4 milliméterrel megnőtt. Érdekes módon a pupilladilatáció nagysága arányos volt a megjegyzendő információ mennyiségével: legkisebb mértékben három szám megjegyzésekor nőtt a pupilla átmérője, legnagyobb mértékben pedig hét szám megjegyzésekor.
A jelenség más emlékezeti feladatok esetében is kimutatható, amint arra a kutatócsoportunk egy nemrég közölt eredménye is rámutat. A kutatásunkban résztvevő személyeknek szópárokat kellett megtanulniuk (pl. „alma-körte”). Ezt követően egy teszt következett: a szópár első tagjának bemutatása után fel kellett idézni a második szót („alma – ?”). A bemutatott szópárok számát variáltuk a kísérlet során: a kikérdezést megelőzően kettő, négy vagy nyolc szópárt mutattunk be egymás után. Ábránk jobb oldalán látható, hogy a megjegyzendő információ mennyiségével arányosan nőtt a felidézés során kiváltott pupillaválasz is. Vagyis a pupilladilatáció mértéke együtt jár az emlékezeti terheléssel. A jelenség más gondolkodási folyamatok esetében is kimutatható: nehezebb feladat és nagyobb mentális terhelés nagyobb pupilladilatációt vált ki, legyen szó logikai feladványról, matematikai műveletről vagy nyelvtani feldolgozást igénylő feladatról.
Agyi fogyasztásmérő
A fentebb kifejtett eredmények alapozták meg azt az elképzelést, miszerint a pupilladilatációra egyfajta agyi fogyasztásmérőként tekinthetünk. Hasonlóan ahhoz, ahogy egy háztartásban a villanyóra a hálózatra kötött eszközök fogyasztását méri, a pupilladilatáció mértéke azt jelzi, hogy az agy erőforrásait használó „fogyasztók”, a különböző gondolkodási folyamatok mennyire terhelik le az agyi hálózatokat.
(FORRÁS: BAL OLDAL: KAHNEMAN, DANIEL, AND JACKSON BEATTY. SCIENCE (1966). JOBB OLDAL: PAJKOSSY, P., SZŐLLŐSI, Á., & RACSMÁNY, M. (2019). INTERNATIONAL JOURNAL OF PSYCHOPHYSIOLOGY)
A módszer eleinte nem volt népszerű az információfeldolgozás törvényszerűségeit vizsgáló kutatók között. Egyrészt nem volt egyértelmű, hogy mi a pupilla mérete és a gondolkodási folyamatok között feltárt kapcsolat élettani háttere. Ezért sok kutató szkeptikus volt azzal kapcsolatban, hogy a pupilladilatáció valóban a kognitív folyamatokkal kapcsolatos agyműködés következménye-e. Másrészt a pupilla átmérőjének mérése bonyolult kísérleti apparátust igényelt. Mivel a pupilla érzékenyen reagál a fényviszonyok változásaira, a korai kísérletekben részt vevő személyek egy sötét kamrába dugták be a fejüket. Itt infravörös fénysugárral világították meg a szemüket és infravörös fényre érzékeny fényképe-zőgéppel készítettek nagyfelbontású fényképeket a szemről. Ezeken a fényképeken aztán utólag egyenként mérték meg a pupilla átmérőjét, ami meglehetősen időigényes eljárás volt.
Az elmúlt 10-15 évben azonban ezek a fenntartások nagyrészt okafogyottá váltak. Megjelentek a kereskedelmi forgalomban a szemmozgáskövető berendezések, melyek segítségével a tekintet irányának követésén kívül a pupilla méretével kapcsolatban is jó minőségű és könnyen hozzáférhető adatokra lehet szert tenni. Továbbá sikerült feltárni a mentális terhelés és a pupilladilatáció közötti kapcsolat idegrendszeri hátterét is. Az újabb kutatások szerint a pupilla mérete egy, az agyunk mélyén, az agytörzsben található neuronmag, a locus coeruleus (LC) idegsejtjeinek aktivitásával korrelál. Az LC-ből kiinduló idegpályák behálózzák az agykérget és ott a noradrenalin (NA) nevű ingerületátvivő anyag segítségével befolyásolják az idegsejtek aktivitását. Ennek az úgynevezett LC/NA-rendszernek az a feladata, hogy optimalizálja az információfeldolgozást irányító agykérgi hálózatok működését.
Az LC/NA-rendszer szabályozza például, hogy figyelmünket egy éppen aktuális feladatra, célra összpontosítjuk vagy inkább új feladatot, kihívást keresünk. Amennyiben az adott helyzet elegendő jutalommal, sikerélménnyel kecsegtet, akkor az LC aktivitása közepes szintű és a feladattal kapcsolatos ingerek erőteljes és gyorsan lecsengő választ indukálnak. Ez a fázisos válasz segíti az adott feladattal kapcsolatos információk agykérgi feldolgozását, és ennek a lenyomata a mentális terhelés hatására megfigyelhető pupilladilatáció is. Azonban ha egy feladat már nem érdekes számunkra, vagy nem jár elegendő jutalommal, akkor általában megpróbálunk új feladatokat keresni, új jutalmakat találni. Az ilyen újratervezést az LC/NA-rendszer hosszabb ideig megemelkedett aktivitása kíséri, és ez a magas tónusos LC-aktivitás segíti elő a környezet feltérképezését, az új feladatok kiválasztását. Mivel az emberi agyban nehezen vizsgálható közvetlenül az LC/NA-rendszer aktivitása, ezek az elképzelések nagyrészt emlősökön végzett kísérleteken alapulnak. A pupillometria azonban egyedülálló lehetőséget biztosít arra, hogy az LC/NA-rendszer működésére vonatkozó elméleteket emberek esetében is ellenőrizhessük.
Síkidomok jutalommal
Ez volt a célunk az egyik kutatásunkban, ahol az újratervezéssel kapcsolatos megnövekedett tónusos LC-aktivitást kíséreltük meg a pupilla méretének változásaiban tetten érni. A kísérletben részt vevő személyeknek egy számítógép monitorján megjelenő két síkidom közül kellett választania egymás után többször. Az egyik síkidom mindig jutalommal volt társítva, és a résztvevőknek a korábbi választásokra adott visszajelzések alapján kellett megtippelnie, melyik a jutalmazott inger. Időről időre változott, hogy melyik síkidomot érdemes választani, és arra voltunk kíváncsiak, hogyan változik a pupilla mérete az ilyen váltások után. Ábránkon láthatók a pupilla méretének változásai a síkidomok megjelenését megelőző és az azt követő 2 másodpercben, kék színnel a váltást megelőző, míg barna színnel a váltást követő három bemutatás során. Az ábrán jól megfigyelhetők a gyors fázisos és a lassabb tónusos változások. A görbék lefutását megnézve látható, hogy a síkidomok megjelenését követően a pupilla hirtelen összeszűkül, majd visszatágul. Ezek a fázisos változások a váltás előtt és után is megjelennek, és a képernyőn bekövetkező vizuális változások illetve a válaszadáshoz kapcsolódó mentális erőfeszítés következményei. A kék és a barna görbék összeha-sonlítása alapján azonban tónusos változások is megfigyelhetők: a váltás után a pupilla átmérője 0,1-0,2 milliméterrel megnő. Ez az LC megnövekedett tónusos aktivitására utal, amit az vált ki, hogy a korábban már kitalált és megjegyzett inger-jutalom kapcsolat már nem érvényes, a rendszernek újratervezésre van szüksége: újra ki kell találni, hogy melyik ábrát választva érhető el jutalom.
A pupilla mérete növekszik a jutalmazott ingerek megváltozása után. A görbéken a váltást megelőző (kék) és a váltást követő (barna) három bemutatás során ábrázoltuk a pupilla méretét. Az ábra bal oldalán a bemutatás előtti, a jobb oldalon az ábrák megjelenését követő 2 másodperc alatt mért pupilla átmérő értékek szerepelnek. Az egyes bemutatások során fluktuál a pupilla mérete, de a váltást követően a fluktuáció nagyobb alap pupillaátmérő mellett zajlik le, ami az LC/NA-rendszer megnövekedett aktivitására utal. (FORRÁS: PAJKOSSY, P., SZŐLLŐSI, Á., DEMETER, G., & RACSMÁNY, M. (2017). PSYCHOPHYSIOLOGY)
A bemutatott eredmény jól demonstrálja a pupillometria módszerének legfontosabb előnyét és hátrányát is. Egyrészt a pupillometria nagy erénye, hogy segítségével feltárhatjuk, hogy egyes kognitív folyamatok hogyan járnak együtt az LC/NA-rendszer működésével. Fontos kiemelni, hogy a módszer az agyi folyamatokat mérni tudó alternatív eszközökhöz képest olcsó – az agyterületek aktivitását a vérátáramlás mennyiségéből becsülni képes funkcionális mágneses rezonancia (fMRI) vizsgálatok végzése például nagyságrendekkel nagyobb költségeket emészt fel. Másrészt módszertani szempontból hátrány, hogy a pupilla mérete nemcsak a kognitív folyamatokkal kapcsolatos ideg-rendszeri aktivitásra reagál, hanem a szembe érkező vizuális információ különböző tulajdonságaira is, legfőképpen a fényviszonyok változására. További korlátja a módszernek, hogy a pupilla mérete csak egy általános, az LC/NA-rendszer aktivitását mutató jelet szolgáltat, míg más módszerekkel időben és térben is részletesebb információkat szerezhetünk az agyi folyamatokról.
A vizsgálatok egyszerű és költséghatékony kivitelezése miatt a pupillometriának még a fenti korlátokat figyelembe véve is ígéretes alkalmazási területei vannak. Az egyik ilyen terület az emlékezet kutatásához kötődik. Több kutatásban kimutatták, hogy egy információ felidézésekor vagy felismerésekor kiváltott pupilladilatáció kapcsolatba hozható az emléknyom erősségével. Egyik kapcsolódó vizsgálatunkban például az találtuk, hogy minél többször idézünk fel egy információt, annál kisebb pupilladilatáció figyelhető meg a felidézés során. Ennek az lehet az oka, hogy az ismételt tesztelés hatására egyre jobban megjegyezzük az információt, és így egyre kisebb erőfeszítésre van szükség a felidézéshez. Tehát a pupillometria segítségével az emlékezeti teljesítmény egy nem verbális mutatójához juthatunk, ami alkalmazható lehet például oktatási programok fejlesztése során a tanulás hatékonyságának online mérésére. Továbbá a pupillaméret és az LC/NA-rendszer kapcsolata miatt a pupillometria az agyműködés vizsgálatának költséghatékony módszere is lehet, például az LC/NA-rendszer diszfunkciójának korai jelzésével hozzájárulhat ahhoz, hogy a később kialakuló Parkinson-kórt vagy Alzheimer-kórt előre lehessen jelezni, és a megfelelő kezelést minél hamarabb el lehessen kezdeni.
Pajkossy Péter
BME TTK
Kognitív Tudományi Tanszék
2020/30
