A HUN-REN-ELTE-PPKE Serdülőkori Fejlődés Kutatócsoport (SFK), a Barcelonai Pompeu Fabra Egyetem és az Oxfordi Egyetem munkatársai az agykérgi hálózatok termodinamikai elveken alapuló elemzése során kimutatták, hogy az agy hierarchikus hálózatainak fejlődése szempontjából létezik egy olyan optimális zóna, melyben a fejlődés üteme se nem túl gyors, se nem túl lassú. Az eredményeket az Advanced Science című nyílt hozzáférésű interdiszciplináris folyóiratban jelentették meg.

Goldilocks és a három medve történetének egyik fontos eleme az éppen jó hőmérsékletű zabkása, ami nem túl hideg és nem túl meleg, hanem pont jó hőmérsékletű. Ezt a koncepciót a tudományos gondolkodás is átvette. Létezik például a lakhatósági- vagyis Goldilocks-zóna, ami egy csillagrendszeren belül az élet kialakulását lehetővé tévő bolygótávolságokat jelöli. Nemzetközi együttműködésben a PPKE munkatársa, Szakács Hanna, valamint az SFK munkatársai, Kovács Ilona és Gombos Ferenc az emberi agy serdülőkori fejlődésének Goldilocks zónájára bukkantak.

Az SFK munkatársai a serdülőkor kutatásába nemrégiben vezették be az ultrahangos csontkormérést, ami a korábbiaknál jóval pontosabb becslést ad a kamaszok érettségéről. Ez azért fontos, mert maga a pubertás nem csak az érést, de az agykéreg jelentős átszerveződését, és a viselkedés gyermekiből felnőttszerűbe való átalakulását is elindítja. A pubertás kezdetének időpontja széles tartományban változhat. Agyi fejlettséget vizsgáló kutatásukban három eltérő érettségű serdülőcsoportot vizsgáltak. Az átlagos fejlettségű résztvevők csontkora ugyanakkora, a decelerált csoportban lévők csontkora kisebb, az akcelerált csoport résztvevőinek csontkora nagyobb volt az életkornál. A kérdés az volt, hogy vajon az eltérő érettségű csoportok agykérgi hierarchikus szerveződése mutat-e eltéréseket.

Az agyi fejlődést nagyfelbontású nyugalmi állapotú elektroenkefalográfiával (HD-EEG) követték, ami az agy alapállapotú hálózatát regisztrálja. Az alapállapotú hálózat különösen akkor aktív, amikor kevés inger éri az agyat, és nincs meghatározott cselekvési cél. Ez a fajta inger-független aktivitás rendkívül fontos a környezethez való alkalmazkodásban, annak interpretálásában, előrejelzésében Az alapállapotú hálózat szervezettségének mértékét a termodinamikából kölcsönzött elméleti keretben elemezték. A termodinamika második törvénye szerint az anyagi rendszerek idővel a rendezettségből irreverzibilis módon a rendezetlenség felé tartanak. A rendezetlenség mértékének fokozódásával nő az ’entrópia termelés’, ami élő rendszerek esetén a komponensek állapotterén belüli egyirányú, visszafordíthatatlan áramlást jelenti. Az agy ún. mikró-állapotaira vonatkoztatva ez azt fejezi ki, hogy az állapotok egymásba való átfordulása szervezett hierarchia szerint, aszimmetrikusan történik.

Az eredmények alapján az entrópia termelésben az életkornak nincs kitűntetett szerepe, azonban az érettség mértéke meghatározó. Meglepő módon azonban az entrópia termelés nem egyenesen arányos az érettség mértékével. A legmagasabb HD-EEG alapján becsült entrópia érték az átlagos érettségű csoportnál volt megfigyelhetőt, ahol a csontkor egybeesik az életkorral. Az átlagos érettségű csoport tagjainál a pubertás kezdete és maga az érési folyamat se nem lassú, se nem gyors, hanem az ún. szekuláris trendeknek megfelelő átlagsebességgel zajlik, és ahol az agykérgi hierarchikus szerveződés a legoptimálisabbnak tűnik.

1. ábra: Az agyi fejlődés Goldilocks zónája

Az egyik lehetséges értelmezés az 1. ábra baloldali paneljében bemutatott szinaptikus sűrűséggel kapcsolatos. Az agykérgi idegsejtek közötti kapcsolatok sűrűsége gyermekkorban fokozatosan növekszik, majd a pubertás kezdetekor egy ellentétes folyamat, a szinaptikus ’metszegetés’ indul el. A feltevések szerint ez a metszegetés a már meglévő neurális kapcsolatokból formálja meg a felnőttre jellemző hálózatokat. Elképzelhető, hogy ha a metszegetés túl korán indul (akcelerált), a hálózat túlságosan megritkul; ha viszont túl későn kezdődik (decelerált), akkor a kapcsolati sűrűség túlságosan nagy marad. Mindkét eset asszociálódhat az agy mikró-állapotainak inkább szimmetrikus váltakozásával (1. ábra jobb oldali panelek: minél vastagabb és sötétebb egy vonal, annál asszimetrikusabb a váltás két mikró-állapot között). Bár az még nem világos, hogy a mért érettségfüggő eltérések felnőttkorra is megmaradnak-e, az optimálistól eltérő érési trendek oktatási és klinikai vonatkozásainak vizsgálata a bemutatott eredmények alapján kiemelt jelentőségű lehet.