Beyindeki Devasa Hafıza Kapasitesi Sadece Nöronlar Değil Astrositler Tarafından da Oluşturulabilir
Araştırmacılar, astrositlerin hafıza işlevinde aktif rol oynayabileceği hipotezini ortaya attılar. Yeni modelde önerilen mimari, beyindeki hafızanın beklenenin çok ötesinde olan devasa kapasitesini açıklayabilir.
İnsan beyni yaklaşık 86 milyar nöron içerir. Bu hücreler, beynin anıları saklamasına, bilgi ve komutları tüm sinir sistemine iletmesine yardımcı olan elektrik sinyallerini iletir.
Beyinde ayrıca milyarlarca astrosit bulunur — çok sayıda uzun uzantıları olan yıldız şeklindeki hücreler, milyonlarca nöronla etkileşime girmelerini sağlar.
Uzun süre boyunca bunların esas olarak yardımcı hücreler olduğu düşünülse de, son araştırmalar astrositlerin bilgi depolama ve diğer bilişsel işlevlerde rol oynayabileceğini ortaya koymuştur.
Massachusetts Teknoloji Enstitüsü’ndeki araştırmacılar, astrositlerin hafıza işlevinde aktif rol oynayabileceği hipotezini ortaya attılar.
Yeni modelde önerilen mimari, beynin hafıza kapasitesinin, sadece nöronların çalıştığı durumda beklenebileceğinden çok daha fazla olmasını açıklayabilir.
“Astrositlerin sadece nöronların etrafında düzen sağladığı düşünülmüştür, ancak evrimin, her astrocytin yüz binlerce sinapsla temas edebildiğinden, bunların hesaplamalar için de kullanılabileceğini anlamaması için özel bir neden yoktur”
Hafıza kapasitesi
Astrositler, beyinde birçok yardımcı işlevi yerine getirir: atıkları temizler, nöronlara besin sağlar ve kan akışını sağlar.
Astrositler ayrıca, her biri bir sinapsın (iki nöronun birbiriyle etkileştiği bağlantı noktası) etrafına sarılabilen ve üç parçalı (üç bileşenli) bir sinaps oluşturan çok sayıda ince uzantı, yani filizler üretir.
Son yıllarda nörobiyologlar, hipokampustaki astrositler ve nöronlar arasındaki bağlantılar bozulursa, hafızanın depolanması ve geri çağrılmasının kötüleştiğini göstermiştir.
Nöronların aksine, astrositler aksiyon potansiyellerini — beyin boyunca bilgi taşıyan elektriksel impulsları — başlatamazlar. Ancak, diğer astrositlerle iletişim kurmak için kalsiyum sinyallerini kullanabilirler.
Son birkaç on yılda, kalsiyum görüntüleme çözünürlüğünün iyileşmesiyle birlikte, araştırmacılar kalsiyum sinyallerinin astrositlerin, bağlı oldukları sinapslardaki nöronlarla faaliyetlerini koordine etmelerine de olanak tanıdığını keşfettiler.
Bu araştırmalar, astrositlerin nöron aktivitesini algılayabildiğini ve bunun kendi kalsiyum seviyelerinde değişikliklere yol açtığını göstermektedir. Bu değişiklikler, astrositlerin sinapsa glio-transmitterler (nörotransmitterlere benzeyen sinyal molekülleri) salmasına neden olabilir.
“Nöronların sinyalleri ile astrositlerin nöronlara gönderdiği sinyaller arasında bir döngü vardır,” diyor çalışmanın ortak yazarı Dmitry Kozachkov. ”Astrositlerin nöronlardan aldıkları bilgilerle tam olarak ne tür hesaplamalar yapabildikleri bilinmemektedir.”
MIT ekibi, bu bağlantıların ne yapabileceğini ve hafızanın depolanmasına nasıl katkıda bulunabileceğini modellemeye başladı. Modelleri, hafıza kalıplarını depolayabilen ve çağırabilen bir sinir ağı türü olan Hopfield ağlarına dayanıyor.
İlk olarak John Hopfield ve Shun-ichi Amari tarafından 1970’lerde ve 1980’lerde geliştirilen Hopfield ağları, beyni modellemek için sıklıkla kullanılır, ancak bu ağların insan beyninin muazzam hafıza kapasitesiyle karşılaştırılabilecek kadar yeterli bilgiyi depolayamadığı gösterilmiştir.
Hopfield ağının daha yeni, değiştirilmiş bir versiyonu olan yoğun ilişkisel bellek, iki sinir hücresinden fazlası arasındaki daha yüksek düzeyde bağlantılar sayesinde çok daha fazla bilgi depolayabilir.
Ancak, beynin bu çoklu nöron bağlantılarını hipotetik bir sinapsta nasıl gerçekleştirebileceği belirsizdir, çünkü normal sinapslar sadece iki nöronu birbirine bağlar: presinaptik hücre ve postsinaptik hücre. İşte burada astrositler devreye girer.
“Eğer çiftler halinde birbirine bağlanan bir nöron ağı varsa, bu ağlarda çok az miktarda bilgi kodlanabilir,” diyor Krotov.
Yoğun çağrışımlar içeren anılar oluşturmak için iki nörondan fazlasını birbirine bağlamanız gerekir.
Bir astrosit birçok nöron ve birçok sinaps ile bağlantı kurabildiğinden, bu biyolojik hücre aracılığıyla sinapslar arasında bilgi aktarımı olabileceğini varsaymak cazip gelir. Bu, astrositleri incelememiz için en büyük ilham kaynağı oldu ve biyolojik olarak yoğun bir çağrışım hafızası oluşturmanın yollarını düşünmeye başladık.
Araştırmacıların yeni makalelerinde geliştirdikleri nöron-astrocyt ilişkisel hafıza modeli, geleneksel Hopfield ağından çok daha fazla bilgi depolayabilir — beyin hafızasının kapasitesiyle kıyaslanabilecek kadar fazlasıyla.
Karmaşık bağlantılar
Araştırmacılar, nöronlar ve astrositler arasındaki geniş biyolojik bağlantıların, bu tür bir modelin beynin hafıza depolama sistemlerinin nasıl çalıştığını açıklayabileceği fikrini doğruladığını söylüyorlar.
Astrositlerde anıların, kalsiyum akış modellerindeki kademeli değişikliklerle kodlandığını varsayıyorlar. Bu bilgi, astrositlerin uzantılarının bağlandığı sinapslarda salınan glio-transmitterler tarafından nöronlara iletilir.
“Bu iki şeyi dikkatlice koordine ederek — hücredeki kalsiyumun uzamsal-zamansal modeli ve ardından nöronlara geri sinyal iletimi — bu önemli ölçüde artırılmış bellek hacmi için ihtiyacınız olan dinamikleri elde edebilirsiniz,” diyor Kozachkov.
Yeni modelin temel özelliklerinden biri, astrositleri tek bir bütün olarak değil, bir dizi süreç olarak ele almasıdır. Bu süreçlerin her biri tek bir hesaplama birimi olarak düşünülebilir.
Yoğun ilişkisel hafızanın yüksek bilgi depolama kapasitesi nedeniyle, depolanan bilgi hacminin hesaplama birimlerinin sayısına oranı çok yüksektir ve ağın büyüklüğü ile birlikte artar. Bu, sistemi sadece yüksek performanslı değil, aynı zamanda enerji verimli de kılar.
Astrocyte’lerin pre- ve postsinaptik nöronlarla dinamik olarak etkileşime girdiği üç bileşenli sinaptik alanları beynin temel hesaplama birimleri olarak kavramsallaştıran yazarlar, her birimin ağdaki nöron sayısı kadar hafıza kalıbı depolayabileceğini iddia etmektedir.
” Bu, ilke olarak, nöron-astrocit ağının, yalnızca boyutuyla sınırlı olmak üzere, isteğe bağlı olarak büyük miktarda kalıp depolayabileceği şaşırtıcı bir sonuca götürür,”
Bu modelin beynin hafızayı nasıl sakladığını doğru bir şekilde temsil edip etmediğini test etmek için, araştırmacılar astrosit süreçleri arasındaki bağlantıları hassas bir şekilde manipüle etme yöntemleri geliştirmeyi ve ardından bu manipülasyonların hafıza fonksiyonunu nasıl etkilediğini gözlemlemeyi planlıyorlar.
“Bu çalışmanın sonuçlarından biri, deneycilerin bu fikri ciddiye almaları ve bu hipotezi test eden birkaç deney yapmaları olabilir”
Bu model, beynin hafızayı nasıl saklayabileceğine dair bir fikir vermekle kalmayıp, yapay zeka üzerinde çalışan araştırmacılara da rehberlik edebilir.
Derleyen: Feyza ÇETİNKOL
Kaynak: Beyindeki Devasa Hafıza Kapasitesi Sadece Nöronlar Değil Astrositler Tarafından da Oluşturulabilir
/Beyindeki Devasa Hafıza Kapasitesi Sadece Nöronlar Değil Astrositler Tarafından da Oluşturulabilir/