Güçlü bir yöntem, McGovern araştırmacılarının beynin karmaşık dünyayı basit şekillerde nasıl temsil ettiğini keşfetmelerini sağladı.
Dünya duyularımızı sürekli bilgi bombardımanına tutuyor, ancak beynimizin bu bilgilerden anlam çıkarma yollarının anlaşılması zorluğunu sürdürüyor. Nöronlar ham görsel girişi -bir sandalye veya köpek gibi bir nesnenin- zihinsel temsile nasıl dönüştürür?
Nature Neuroscience ‘da yayımlanan bir çalışmada, MIT nörobilim uzmanları farelerde, çevre hakkındaki “yüksek boyutlu” karmaşık bilgileri beyindeki basit bir soyut nesneye dağıtan bir beyin devresi tanımladılar.
McGovern Enstitüsü’nün ortak üyesi ve makalenin baş yazarıIlaFiete “Dış dünyada hiçbir derece işareti yoktur; Mevcut baş yönümüzün beyin tarafından çıkarılması, hesaplanması ve tahmin edilmesi gerekiyor. Kullandığımız yaklaşımlar, aslında beyinde soyut bir pusula olan düşük boyutlu bir kavramın ortaya çıkışını göstermemizi sağladı.” açıklamalarında bulundu.
Araştırmacılara göre bu soyut pusula, dış dünyaya göre başın o anki yönünü temsil eden tek boyutlu bir halka.
Balık Sürüsü Modeli
Bir veri bulutunun halka gibi basit bir şekli olduğunu göstermeye çalışmak biraz balık sürüsü izlemek gibi bir şey. Bir veya iki sardalya izleyerek, bir model göremeyebilirsiniz. Ancak tüm sardalyaları haritalandırabilir ve gürültülü veri tabanını zamanla bütün sardalya sürüsünün konumlarını temsil eden noktalara ve her balığın komşularına göre olduğu noktalara dönüştürebilirseniz, bir desen ortaya çıkartabilirsiniz. Bu model, yüzlerce ayrı balığın aktivitesinin oluşturduğu basit bir şekil olan halka şeklini ortaya çıkarır.
Aynı zamanda, MIT’nin Beyin ve Bilişsel Bilimler Bölümü ’nde doçent olan Fiete, büyük gürültülü nöron popülasyonlarının faaliyetlerini bir halka şeklindeki veri bulutuna dönüştürmek için topolojik modelleme adı verilen benzer bir yaklaşım kullandı.(Topoloji: geometrik cisimlerin nitel özelliklerini ve bağıl konumlarını, biçimlerinden ve büyüklüklerinden ayrı olarak ele alıp inceleyen geometri dalı.)(Nöronal gürültü veya sinirsel gürültü, nöronal ağlardaki rastgele elektriksel dalgalanmaları ifade eder.)
Basit ve Kalıcı Halka
Sinek beyinlerinde yapılan önceki çalışma, sineğin başındaki değişiklikleri temsil eden fiziksel bir elipsoid nöron halkasını ortaya çıkarmıştı. Ayrıca araştırmacılar, böyle bir sistemin memelilerde de var olabileceğinden şüpheleniyorlardı.
Bu yeni fare çalışmasında, Fiete ve arkadaşları, hayvanlar çevrelerinde serbestçe hareket ederken, mekansalnavigasyonda rol oynadığına inanılan bir bölge olan AnterodorsalTalamik Çekirdekteki (ADN) nöronların puanlarından nöral aktivite saatlerini ölçtüler. ADN devresindeki nöronların, hayvanın başı yön değiştirirken nasıl ateşlendiklerini (devreye girdiklerini) haritaladılar. Birlikte, bu veri noktaları basit ve kalıcı bir halka şeklinde bulut oluşturdu.
Araştırmaya dahil olmayan Norveç’teki Kavli Sistemler Sinirbilim Enstitüsü müdürü EdvardMoser “Bu bize beyinde sinir ağlarının nasıl organize olduğu hakkında çok şey anlatıyor” açıklamasını yaptı. Moser, “Geçmiş veriler dolaylı olarak halka benzeri bir organizasyona işaret ediyordu. Ancak bunu ikna edici bir şekilde göstermek, doğru hücre numaraları ve yöntemleriyle mümkün oldu” dedi.
Veri tabanının şeklini karakterize etme yöntemleri Fiete ve meslektaşlarının, çevrimin hangi değişkeni temsil ettiğini ve bu değişkeni, zaman içerisinde sadece nöral tepkileri kullanarak temsil etmeye adadığını saptamalarına sebep oldu.
“Hayvan gerçekten çok karmaşık şeyler yapıyor.” diyor Fiete, “ama bu çevrim hayvanın hızını baş yönünü kodlayan tek boyutlu bir pusula boyunca birleştirmeye adanmış. Tüm uzay durumunu kaplayan bir manifold yaklaşımı olmadan, binlerce nöron devresinin karmaşık davranışın sadece bu yönünü kodladığını ve aynı anda diğer değişkenleri de kodlamadığını bilemezsiniz. ”
Hatta uyku sırasında çevrim harici bilgilerle bombardıman edilmediğinde bile, geçmiş baş yönlerini hayal ediyormuş gibi aynı tek boyutlu halkayı sağlam bir şekilde izler.
Daha ileri analizler, halkanın bir cazibe merkezine etki ettiğini gösterdi. Nöronlar yörüngeden saparsa, sistemi hızla düzelterek geri çekilirler. Halkanın bu çekici özelliği, baş yönünün soyut uzayda temsil edilmesinin zaman içinde hatasız bir şekilde sabit olduğu anlamına gelir; başımızın etrafımızdaki dünyaya göre nerede olduğu ile ilgili istikrarlı bir algıyı anlamamız ve korumamız kilit bir gerekliliktir.
“Bu halkanın yokluğunda dünyada kaybolurduk.” diyor Fiete.
Geleceği Şekillendirmek
Fiete’nin çalışması, karmaşık duyusal bilgilerin akılda basit bir konsepte nasıl saflaştırılarak dönüştürüldüğüne ve bu gösterimin hataları nasıl bağımsız bir şekilde düzelttiğine ve onu son derece kararlı hale getirdiğine dair bir ilk bakış sunar. Ancak bu çalışmanın sonuçları baş yönünün kodlanmasının ötesine geçiyor.
Moser, “Benzer bir organizasyon muhtemelen diğer bilişsel işlevler için de mevcut, bu nedenle tezin çok sayıda yeni çalışmaya ilham vermesi muhtemel” dedi. Bu yaklaşımla, zihnin soyut temsillerini beyinden, potansiyel düşüncelerden hatta hayallerden bile özünü açıklamasının mümkün olduğunu söylüyor.
Fiete, “Beynin dünyadaki karmaşık şeyleri basit şekillerle yok ettiğini ve temsil ettiğini bulduk” dedi. “Manifold seviyesi analizi bu şekilleri bulmamıza yardımcı olabilir ve neredeyse kesin olarak baş yönelimli devrelerin ötesinde var olur.”
Bunlar da ilginizi çekebilir:
Bildiğimizin Aksine Beyin Sinir Hücreleri Kendini Yenileyebilir Mi?
İnsanlar Beyindeki Sinyal Akışının Daha Az Kısıtlanması Nedeniyle Görselleri Duyabilir
Bilim insanları, kendiliğinden omuriliğe bağlanan mini bir beyin niteliğinde yapay organ geliştirdi
Burak AKTEPE
Link: http://news.mit.edu/2019/finding-the-brain-compass-0812
