Bilim İnsanları Beynin Zaman Algısını Nasıl Manipüle Edebileceklerini Keşfetti

Bilim İnsanları Beynin Zaman Algısını Nasıl Manipüle Edebileceklerini Keşfetti

Champalimaud Enstitüsü’ndeki Öğrenme Laboratuvarı, sıçanlarda sinirsel aktiviteyi kontrol ederek beynin zaman algısını manipüle etmenin bir yolunu keşfetti. Parkinson ve Huntington hastalığı gibi hastalıkların tedavisinde potansiyel olarak uygulanabilecek olan araştırmanın robotik ve öğrenme algoritmaları alanlarında da etkileri olabilir.

Aristo’nun zamanın doğasına ilişkin fikirlerinden Einstein’ın görelilik teorisine kadar, insanlık uzun zamandır zamanı nasıl algılayacağı ve anlayacağı üzerine kafa yoruyor. Görelilik, zamanın uzayıp kısaldığını varsayar. Tıpkı evrenin zamanı bükmesi gibi, sinir devrelerimiz de öznel zaman deneyimimizi esnetip daraltabilir. Einstein’ın ünlü sözleriyle, ‘Elinizi bir dakikalığına sıcak bir sobanın üzerine koyarsanız, bir saat gibi hissedersiniz. Güzel bir kadınla bir saat oturursanız, bu size bir dakika gibi gelir”.

Champalimaud Enstitüsü Öğrenme Laboratuvarı’nda yürütülen ve Nature Neuroscience’da yayınlanan yeni bir çalışmada, bilim insanları sıçanlardaki sinirsel aktivite örüntüsünü yapay olarak yavaşlattı veya hızlandırdı.

Vücudun, 24 saatlik biyolojik ritimlerimizi yöneten ve uyku-uyanıklık döngülerinden metabolizmaya kadar günlük hayatımızı şekillendiren daha tanıdık sirkadiyen saatin aksine, zamanı saniyeden dakikaya nasıl ölçtüğü hakkında çok az şey biliniyor. Bu çalışma, trafik ışıklarında beklemek veya bir tenis topuna servis yapmak gibi eylemlerimizin çoğunun gerçekleştiği bu saniyeden dakikaya zaman ölçeğine odaklandı.

Bilgisayarın tam olarak tik tak yapan merkezi saatinin aksine, beyinlerimiz dağınık ve esnek bir zaman algısına sahiptir. Bu “kolektif saat” hipotezinde, beynimiz zamanı tutmak için davranış sırasında nöron gruplarında gelişen tutarlı faaliyet modellerine güvenir.

Araştırmanın kıdemli yazarı Joe Paton bunu bir gölete taş atmaya benzetiyor. Taş her atıldığında dalgalar oluşur ve göletin yüzeyine yayılır. Bu dalgalanmaların şekli ve konumu analiz edilerek taşın ne zaman ve nereye düştüğü çıkarılabilir”.

“Dalgaların hareket hızı nasıl değişiyorsa, nöral popülasyonlardaki bu aktivite modellerinin ilerleme hızı da değişiyor. Laboratuvarımız, bu sinirsel ‘dalgalanmaların’ ilerleme hızı veya yavaşlığı ile zamana bağlı kararlar arasında yakın bir korelasyon olduğunu gösteren ilk laboratuvarlardan biridir.”

Araştırmacılar fareleri farklı zaman aralıklarını tanımlamaları için eğitti. Derin beyindeki bir bölge olan striatumdaki aktivitenin öngörülebilir bir model izlediğini ve farklı oranlarda değiştiğini buldular. Bir hayvan daha uzun bir zaman aralığı bildirirse, aktivite daha hızlı gelişir ve daha kısa bir zaman aralığı bildirirse, aktivite daha yavaş gelişir.

Ancak, korelasyon nedensellik anlamına gelmez. Striatal popülasyon dinamiği oranındaki değişikliklerin basitçe zamanlama davranışıyla mı ilişkili olduğunu yoksa zamanlama davranışını doğrudan kontrol edip etmediğini test etmek istedik. Bunu yapmak için, hayvanlar zamanlama kararlarını bildirirken bu dinamikleri deneysel olarak manipüle etmenin bir yoluna ihtiyacımız vardı.”

Sıcaklık ile zamanın kodunu çözme

Araştırmanın başyazarlarından Tiago Monteiro gülümseyerek şöyle diyor: “Eski bir aleti asla atmayın”. Araştırma ekibi nedenselliği ortaya çıkarmak için sinirbilimcilerin alet çantasından eski moda bir yönteme başvurdu: sıcaklık. Sıcaklık daha önceki çalışmalarda kuş sesi gibi davranışların zamansal dinamiklerini manipüle etmek için kullanılmıştı. Beynin bir bölgesini soğutmak cıvıltıyı yavaşlatıyor, ısıtmak ise hızlandırıyor. Bu, notaların kendisini etkilemeden müziğin temposunu değiştirmek gibidir. Sıcaklığın ideal olduğunu düşündük çünkü nöral dinamiklerin düzenini bozmadan bu hızı potansiyel olarak değiştirebilir”.

Bu aracı sıçanlar üzerinde test etmek için, striatumun lokal olarak ısıtıldığı veya soğutulduğu ve aynı anda sinirsel aktivitenin kaydedildiği özel bir termoelektrik cihaz geliştirdiler. Bu deney için sıçanlara anestezi uygulandığından, araştırmacılar optogenetik (belirli hücreleri uyarmak için ışık kullanan bir teknik) kullanarak dinlenme halindeki striatumda gölete taş atar gibi aktivite dalgaları oluşturdular. Yardımcı yazar Margarida Peixilla şunları söylüyor: ‘Bunun nedeni, eğer çok fazla soğutursanız çalışmayı durdurur ve çok fazla ısıtırsanız geri dönüşü olmayan hasar riskiyle karşı karşıya kalırsınız. Alan soğutulduğunda aktivite modelinin genişlediğini, ısıtıldığında ise daraldığını gördük.

Biz de bu manipülasyonu davranışa uyguladık” diyor çalışmanın eş yazarı Filipe Rodriguez. “Hayvanları iki ses arasındaki aralığın bir sesten daha kısa mı yoksa daha uzun mu olduğunu bildirmeleri için eğittik. Striatum soğutulduğunda, aralığın daha kısa olduğu yanıtını verme olasılıkları daha yüksekti. Isıtıldıklarında ise uzun yanıtını verme olasılıkları daha yüksekti. Örneğin, striatumun ısıtılması, striatumun kolektif dinamiklerini, bir saatin ibrelerinin hareketinin hızlandırılmasıyla aynı şekilde hızlandırarak, sıçanların belirli bir zaman aralığını gerçekte olduğundan daha uzun olarak değerlendirmesine neden olmuştur.

Motor kontrolü için iki beyin sistemi

Paton şunları ekledi: “Şaşırtıcı bir şekilde, striatum motor kontrolden sorumlu olsa da, striatal aktivite modelini yavaşlatmak veya hızlandırmak hayvanın görevdeki hareketlerini yavaşlatmıyor veya hızlandırmıyor.” Bu durum, davranışsal kontrolün doğasının daha derin bir şekilde ele alınmasına yol açmaktadır. En basit organizmalar bile hareketi kontrol ederken iki temel zorlukla karşılaşır. Birincisi, farklı potansiyel davranışlar arasında seçim yapmak zorundadırlar. İkincisi, bir davranış seçildikten sonra, bu davranışın etkili bir şekilde yürütülebilmesi için sürekli olarak koordine ve kontrol edilebilmesi gerekir. Bu temel sorunlar solucanlardan insanlara kadar her tür organizma için geçerlidir”.

Ekibin bulgularına göre, striatum ‘ne’ yapılacağına ve ‘ne zaman’ yapılacağına karar verme şeklindeki ilk görev için önemlidir, ancak sürekli hareketin ‘nasıl’ kontrol edileceğine ilişkin ikinci görev diğer beyin yapılarına bırakılmıştır. Araştırma ekibi şu anda bir başka çalışmada, beyindeki nöronların yarısından fazlasını barındıran ve eylemlerimizin sürekli ve anlık olarak yürütülmesiyle ilişkili olan beyinciği inceliyor. Paton şöyle açıklıyor: ‘İlginç bir şekilde, ön verilerimiz, striatumun aksine, beyincikteki sıcaklık manipülasyonunun sürekli motor kontrolünü etkilediğini gösteriyor.

Parkinson hastalığı ve serebellar ataksi gibi hareket bozukluklarında, iki beyin sistemi arasındaki bu rol dağılımını görüyoruz” diyor Paton.

Striatumu tutan Parkinson hastalığında, kişinin yürüme gibi kendi hareketlerini planlama yeteneği genellikle engellenir. Ancak yere bantla çizgiler çizmek gibi duyusal ipuçları vermek yürümeyi kolaylaştırabilir. Bu tür ipuçlarının beyincik ve korteks gibi hala sağlam olan ve sürekli hareketi etkili bir şekilde yönetebilen diğer beyin bölgelerini içermesi muhtemeldir. Buna karşılık, serebellar hasarı olan hastalar düzgün koordineli hareket etmekte zorluk çeker, ancak hareketleri başlatmaya veya değiştirmeye ihtiyaç duymazlar. Araştırma ekibi, nöral aktivite ve zamanlama işlevi arasındaki nedensel ilişki hakkında yeni bilgiler edinerek, Parkinson hastalığı ve Huntington hastalığı gibi zamanla ilgili durumların yanı sıra striatal disfonksiyonu içeren zayıflatıcı hastalıklar için yeni terapötik hedeflerin geliştirilmesini ilerletebilir. Ayrıca, striatumun sürekli motor kontrolünün aksine ayrık motor kontrolündeki spesifik rolünün belirlenmesinin robotik ve öğrenmede kullanılan algoritmik çerçeve üzerinde de etkileri olabilir.

Monteiro şöyle diyor: ‘İronik bir şekilde, bir makaleye göre, bu araştırma görünüşe göre yıllardır devam ediyor. Ancak hala pek çok gizem var. İlk olarak, hangi beyin devreleri bu aktivite dalgacıklarını üretiyor? Bu dalgacıklar zamanın tik taklarına ek olarak hangi hesaplamaları yapıyor? Çevremize uyum sağlamamıza ve akıllıca tepki vermemize nasıl yardımcı oluyorlar? Bu soruları yanıtlamak için, üzerinde çalıştığımız şeyden daha fazlasına, yani zamana ihtiyacımız olacak.”

Derleyen: Deniz KAFKAS

Kaynak: Bilim İnsanları Beynin Zaman Algısını Nasıl Manipüle Edebileceklerini Keşfetti

MIT Mühendisleri, Beyin ve Bağırsak Arasındaki Bağlantıyı Çözmek İçin Yeni Bir Teknoloji Geliştirdi

Bilim İnsanları Beynin Zaman Algısını Nasıl Manipüle Edebileceklerini Keşfetti