İsviçre’nin EPFL’deki Mavi Beyin Projesi, kortikal nöronların¹ ekip halinde çalışıp, gürültü ve kargaşa sırasında birlikte çalışabildiklerini kanıtladı.
Nöronlar, uyarıcı adı verilen elektrik sinyallerinin hızlı titreşimlerini göndererek birbirleriyle iletişim kurarlar. İzole edilmiş bir nörona aralıksız bir şekilde tam olarak aynı elektriksel değeri verdiğimizde, diğer uçtan da bu uyarıcının tam olarak aynı elektriksel verisini elde ederiz. İlk bakışta, bu ani uyarıcılar çok güvenilir olabilir.
Öyleyse, neden canlı bir hayvandaki kortikal nöronların aktivitesi dalgalanır ve çok değişken görünür?
Bunun iki nedeni vardır. İlk olarak, başka bir nörona bir sinyal iletilirken, süreç bazen başarısız olabilir ve bu başarısızlıklar, sonuca zar atarak karar vermek gibi öngörülemezdir. Baş araştırmacısı MaxNolte, “Kimyasal bir nörotransmiter sinyalini aktaran iki kortikal piramidal nöron arasında bir sinaps olma şansının % 10 kadar düşük olabileceğini tahmin ediyoruz” diye açıklamıştır.
Bu belirsizlik, bir nöronun bağlı olduğu nöronlar tarafından gönderilen aynı mesajı her seferinde farklı şekilde duyacağı anlamına gelebilir.
İkincisi, iki temel kortikal nöron tipi (uyarıcı ve kısıtlayıcı) bir ağa bağlandığında, aktivite modellerinde küçük belirsizlikler artış gösterir. Bu öngörülemeyen kalıplara, kaos olarak da adlandırılan bir davranışa yol açar.
Bu gürültü ve kaos dolu zemin, bireysel kortikal nöronlarının düzen bulamadığını ve güvenilir uyarılar gönderemediğini gösteriyor. Yani, beynin birkaç şarkıcıyı değil tüm koroyu kesin olarak dinlediğinden emin olması için birçok nöronun aktivitesini ‘ortalamalarını’ alması gerekir.
Simülasyon Nörobilim Cevabı Buldu
Beyindeki gürültü kaynaklarını çözmek ve bunların nöronal aktivite üzerindeki etkilerini değerlendirmek için gereken deneysel manipülasyonlar, canlı bir hayvanda ya da organizmada, hatta laboratuvar ortamında ayrılmış beyin dokusunda bile gerçekleştirilememektedir.
MaxNolte, şimdilik, insandaki bir nöronun beyin geneline ki girdilerinin tümünü izlemenin ya da farklı gürültü kaynaklarını açıp kapatmanın mümkün olmadığını belirtti.
Bugüne kadar herhangi bir canlıda ki kortikal dokunun en yakın gösterimi, mavi beyin projesinin sıçan neokortikal mikro sirkü itrisinin biyolojik olarak ayrıntılı dijital rekonstrüksiyonudur. (Cell 2015).
Bu bilgisayar modeli, araştırmacılar için nöronlar arasındaki sağlıksız sinyal iletiminin veri kısıtlı modellerini içerdiğinden dolayı bireysel nöronların seslerinin ne kadarının anlaşılabildiğini incelemek için uygun bir platform sağlamıştır.
Birbirine bağlı nöronlardan kendiliğinden oluşan aktivitenin, her tekrarda çok farklı ve ani zamanları gösteren, oldukça gürültülü ve kaotik olduğunu, bu modeli kullanarak bulmuşlardır. Nolte, biyolojik olarak gerçekçi gürültü kaynaklarına sahip bir biyofiziksel neokortikal mikro devre modeli ile kortikal iç değişkenliğin kökenini ve doğasını incelediklerini belirtti.
Ayrıca Nolte, sağlıksız nöro transmiter sinyallerinin tekrarlayan ağ dinamikleri ile güçlendirildiğini ve geçmişin bir gürültü ve kaos denizi gibi hızla çürüyen bir hafızaya neden olduğunu gözlemlediklerini de söyledi.
Gürültü ve Kaosun Ortasındaki Sağlıklı Tepkiler
Ancak, memelilerin beyninin hızla kaybolan bir hafızası yoktur.
Aslında, bulgulardan belki de en etkileyici olanı, kendiliğinden oluşan aktiviteler sırasında oldukça sağlıksız olan uyarım zamanlarının, dışarıdan müdahale edilip, harici veriler girildiğinde oldukça güvenilir hale gelmesidir.
Bu fenomen, nöronları doğrudan güvenilir tepkilere yönlendiren güçlü dış girdilerin basit bir sonucu değildir. Zayıf bir talamokortikal verisi bile, ağı kısa süreliğine son derece güvenilir bir uyarıcı sistemine dönüştürebilir.
Bu noktada, belirsizliği artıran ve kaos oluşturan nöronlar arasındaki etkileşimler, güvenilirliği arttırmakta ve beynin düzeni oluşturmasını sağlamaktadır.
Mavi beyin kurucusu ve yöneticisi Prof. Henry Markram söyle açıkladı: “Talamokortikal uyarıcılar, gürültü ve kaosun ortasında bile milisaniyelik hassasiyetle sağlıklı uyarımlar sağlayabilir. Şaşırtıcı bir şekilde, bu etkinin takım olarak çalışan kortikal nöronlara bağlı olduğunu kanıtlayabildik.
Bu nedenle modelimiz, kortikal nöron ağlarındaki gürültü ve kaosun, beynin düzeni sağlamasına izin veren sağlıklı bir uyarıcı ile uyumlu olduğunu göstermektedir.
kortikal nöronlar¹: Hareketleri denetleyen kortikal nöronlar, bir sinir ağı meydana getirmekte olup bunun anlamı her bir basit harekete birçok nöronun katılıyor olmasıdır.
Bunlar da ilginizi çekebilir:
Mükemmel Bir Genel Bilgiye Sahip İnsanların Beyinleri Nasıl Görünüyor?
ABD İstihbarat Teşkilatı Casusluk Yapan Yeni Bir “Yapay Beyin” Geliştiriyor
Bildiğimizin Aksine Beyin Sinir Hücreleri Kendini Yenileyebilir Mi?
Çeviri: Engin ALIR
