Fraktal Beyin: Sadece Bir Nörona Bakarak Tamamı Anlaşılabilir mi?

0
1229

Beyin sinyallerine ulaşıp çözümleyebilmek sandığımızdan daha kolay olabilir.

Washington Üniversitesi fizikçileri, büyük ve pahalı elektrotlar kullanarak birçok nörona ait sinyalleri elde etmek ile tek bir nöronun sinyallerini ölçmenin pek de farklı olmayacağını gösteren bir çalışmaya imza attılar.

Bu araştırma, beynin, bilgi iletimi ve işlenmesini kolaylaştıracak biçimde iki aktivite evresi arasındaki kırılma noktasında, “kritik” bir konumda nasıl işlev gördüğüne dair tartışmaların bir devamı niteliğinde.

Her bir nörona genel sinirsel devre aktivitesine ait hangi bilgilerin ulaştığı sorusu hala nörobilimcilerin kafasını kurcalıyor. Washington Üniversitesi araştırmacılarından Prof. Ralf Wessel ve ekibi de gelişmiş teknolojik araçlar ve analizler kullanarak duyusal bilginin beyinde nasıl işlendiğini inceleyen laboratuvarlardan biri. Ekipten James K. Johnson, “kritik sistemlere ne kadar geniş veya dar ölçekte bakarsanız bakın, aynı istatistiksel kalıplarla karşılaşıyorsunuz. Bu özellik “ölçeksizlik” ya da “fraktallık” olarak tanımlanıyor. Beyinde sıkça görülen fraktal aktivitenin kaynağını da bu kritikliğin açıklaması mümkün olabilir” diyor.

Bu çalışma için araştırmacıların en ince detaya kadar inmeleri gerekti çünkü kritikliğe dair kanıtlar zaten tüm geniş ölçeklerde gözlemlenmişti.

Johnson, “Son hedefimiz, tek bir hücrenin ölçeği idi… Bunun için biraz hile yapmamız da gerekti: Beyindeki kritikliği ispat etmek için kullanılan istatistik kalıplara nöron çığı adı veriliyor. Basit olarak bunlar, ardı ardına gelen vurulardan (ani yükselmelerden) ibaret, yani nöronlar arasındaki mesajlaşmayı ifade ediyor. Rastgele iki nöronun doğrudan bağlantılı olup olmadığını bilemiyoruz. Bilseydik bile, bunlar arasındaki vurular o kadar nadir gerçekleşir ki, bir vuru tespit etmek için her ikisini de saatlerce gözlemleyip kaydetmemiz gerekirdi. Bunun yerine biz vuruları gözardı edip nöron perspektifinden bakarak nöronal çığların neye benzediğini görmek istedik” diyor.

Tekil hücrelerin kayıt edilmesi en az 70 yıl öncesine kadar uzanıyor, ancak çoklu kayıtların mümkün olmasıyla birlikte bu yönteme pek başvurulmuyordu. Washington Üniversitesi araştırmacıları ise tek nörondan elde edilen elektrokimyasal girdi dalgalanmalarını kaydetmek için daha önce kullanılan bir yöntemi geliştirerek uyguladılar.

Bunun için; içinde elektrot bulunan ufak bir cam tüp hücre üzerine yerleştirildi (aslında tam olarak tüp hücrenin içine girecek kadar sokuldu ve hücrenin, bu tüpü kendi zarının bir parçası olduğunu zannetmesi sağlandı). Bu sayede araştırmacılar iyon değiş-tokuşu sırasında meydana gelen voltaj değişimlerini kaydetme olanağı buldular. Bu yöntem yeni değil, ancak ekip, yaptıkları geliştirmeler sayesinde canlı bir kaplumbağa beyni içindeki veriyi normalden (30 dakikadan) daha uzun bir süre boyunca kaydetmeyi başardı.

“Hücre girdi aldığında, kayıtlarımızda küçük sinyaller veya sinyal yığınları olarak görülüyor. Nörobilim camiası genellikle bir ortalama değer ya da toplam ölçü üzerine odaklanır ve dalgalanmalar da saf gürültü olarak modellenir” diyor Johnson: “Ama biz yeni bir şey denedik: Kritiklik testleri sırasında normalde nöronal çığ için yapılan istatistiksel analizi, biz bu sinyallerin geometrisine göre yaptık”.

Hücrelerdeki elektriksel aktiviteyi ölçen tek elektrotlu kayıt için iki farklı yöntem kullanılıyor. Bunlardan biri, nöronlar arasında kalan bölgedeki iyonik akımları kaydeden hücre dışı kayıt (altta, mavi); diğeri ise tek bir hücrenin çeperine yerleştirilen elektrotla yapılan hücre içi kayıt (ortada, kırmızı). Bu çalışmada, bu farklı kayıtlarla elde edilen aktivitelerin istatistiksel değerlerinin özellikle şekil, alan ve süre açısından benzerlik gösterip göstermediği araştırıldı. Bunun için her iki sonuç, birçok elektrot kullanılarak ölçüm yapan mikroelektrot dizisi (MEA) cihazı ile elde edilen sonuçla (üstte, yeşil) karşılaştırıldı. Sonuçlar, tek nöronda gerçekleşen aktivite değişimlerinin, nöron gruplarındaki ile bu kriterler açısından benzerlik gösterdiğini ortaya koydu. Grafik: WU St. Louis.

Son derece kapsamlı testlerin ardından araştırmacıların topladıkları tekil hücre verilerinin daha geniş dizilerle yapılan testlerde alınan verilerle karşılaştırıldığında, kritik noktadaki sistemlerle aynı derecede tutarlı olduğu gözlemlendi.

Nöron gruplarında gerçekleşen elektriksel aktivitenin tek bir nöron ölçülerek kaydedilmesinin mümkün olduğunu söyleyen James K. Johnson, bunu mümkün kılan özelliğin beyindeki fraktal yapı olduğunu belirtiyor.

Johnson’a göre kritik noktada olmak, bilgi iletimi ve işlenmesi tarafında beyin işlevlerinin esnekliği, değişkenliği ve uyum sağlama becerisi açısından birçok avantaja sahip: “Primer görsel korteksinizde bulunan nöronlar iki kez aynı sırayla ateşlenmez; buna karşılık siz aynı şeyi iki kez görebilirsiniz. Kritik bir sistemde bu şaşırtıcı değildir; son derece olağandır ve bunu açıklamak için karmaşık bir modele ihtiyaç yoktur”.

Journal of Neuroscience’da yayınlanan yeni çalışmada aynı zamanda, nöronlar arasındaki koordinasyona ait fizik teorilerine de ışık tutuluyor. Johnson, “Araştırma sonuçlarımız doğru ise beynimiz, doğada kritikliği kendi kendine organize ettiği ortaya çıkarılan ilk doğal sistem olarak kayda geçecek” diyor.

 

 

 

 

 

CEVAP VER

Please enter your comment!
Please enter your name here