Zihin Nasıl Öğreniyor? Yeni Araştırma Her Şeyi Değiştiriyor
UCL’deki Sainsbury Wellcome Centre’da (SWC) çalışan nörobilimciler, beynin deneme yanılma yoluyla öğrenmek için iki farklı sistem kullandığını keşfetti. Alışkanlıkların nasıl oluştuğuna dair yeni bir içgörü sunan ikinci bir öğrenme sistemi ilk kez tanımlandı.
Bu keşif, bağımlılıklar ve takıntılar gibi alışılmış davranışlarla bağlantılı durumların tedavisine yönelik stratejiler geliştirmek için bilimsel bir temel sağlayabilir. Nature dergisinde yayınlanan ve fareler üzerinde yürütülen çalışma, Parkinson hastalığı için yeni tedavi yaklaşımlarına da yol açabilir.
“Esasen, alışkanlıklardan sorumlu olduğunu düşündüğümüz bir mekanizma bulduk. Belirli bir eylem için bir tercih geliştirdikten sonra, değer temelli sisteminizi atlayabilir ve sadece geçmişte yaptığınız varsayılan politikanıza güvenebilirsiniz. Bu da başka bir konuda değer temelli kararlar almak için bilişsel kaynakları serbest bırakmanızı sağlayabilir,” diyor SWC Grup Lideri ve çalışmanın başyazarı Dr. Marcus Stephenson-Jones.
Görüntü, görev sırasında beynin etkisiz hale gelen iki bölgesini gösteriyor – dorsomedial striatum (DMS) ve striatum kuyruğu (TS). Kredi: Hernando Martinez Vergara.
Eylem tahmin hatasının keşfi
Araştırmacılar beyinde daha önce bilinenden farklı işleyen yeni bir dopamin sinyali türü tespit etti. Dopaminin, beyne bir sonucun beklenenden daha iyi mi yoksa daha kötü mü olduğunu söyleyen ödül tahmin hataları (RPE) ürettiği zaten biliniyordu.
Bu çalışmada bilim insanları, bir eylemin ne sıklıkla tekrarlandığını izleyen ve eylem tahmin hatası (APE) olarak adlandırılan ikinci bir dopamin sinyali keşfettiler. RPE ve APE birlikte hayvanlara öğrenmeleri için iki farklı yol sunar: en ödüllendirici seçeneği seçerek veya en sık seçileni tekrarlayarak.
Bilim insanlarının beyinde kayıt yaptıkları yerleri gösteren floresan görüntüler – striatum kuyruğu (TS) ve ventral striatum (VS). Kredi: Francesca Greenstreet.
“Yerel sandviç dükkanınıza gittiğinizi düşünün. İlk gidişinizde sandviç seçmek için zaman harcayabilir ve hangisini seçtiğinize bağlı olarak sandviçi beğenebilir ya da beğenmeyebilirsiniz. Ancak dükkana birçok kez tekrar giderseniz, artık hangi sandviçi seçeceğinizi düşünmek için zaman harcamazsınız ve bunun yerine varsayılan olarak sevdiğiniz bir sandviçi seçmeye başlarsınız. Bu varsayılan politikayı depolamanızı sağlayan şeyin beyindeki APE dopamin sinyali olduğunu düşünüyoruz,” diye açıklıyor Dr Stephenson-Jones.
Tekrarlama yoluyla hafızayı basitleştirmek
Yeni keşfedilen öğrenme sistemi, beynin farklı seçeneklerin değerini sürekli olarak karşılaştırmasına gerek kalmadan bilgiyi depolaması için daha basit bir yol sunuyor. Bu verimlilik, beynin aynı anda birden fazla görevi yerine getirmesine olanak sağlayabilir. Örneğin, araba kullanmayı öğrendikten sonra, araba kullanırken sohbet edebilirsiniz. Varsayılan sisteminiz rutin sürüş görevlerini yönetirken, değere dayalı sisteminiz konuşmaya odaklanır.
Daha önceki araştırmalar, öğrenmeyle ilgili dopamin nöronlarının orta beynin üç bölümünde bulunduğunu ortaya koymuştur: ventral tegmental alan, substantia nigra pars compacta ve substantia nigra pars lateralis. Bazı çalışmalar bu nöronların ödülün işlenmesinde rol oynadığını gösterirken, önceki bulgular bunların yaklaşık yarısının hareketle bağlantılı olduğunu ortaya koymuştur; ancak bu bağlantının amacı belirsiz kalmıştır.
RPE nöronları, striatumun kuyruğu olarak adlandırılan bir bölge dışında striatumun tüm bölgelerine projeksiyon yapar. Harekete özgü nöronlar ise nükleus akumbens dışındaki tüm alanlara projeksiyon yapar. Bu, çekirdeğin yalnızca ödül sinyali verdiği ve striatum kuyruğunun yalnızca hareket sinyali verdiği anlamına gelir.
Dopamin salınımı hareketle bağlantılı
Striatum kuyruğunu araştıran ekip, hareket nöronlarını izole etmeyi ve işlevlerini keşfetmeyi başardı. Araştırmacılar bunu test etmek için farelerde, Cold Spring Harbor Laboratuvarı’ndaki bilim insanları tarafından geliştirilen bir işitsel ayrımcılık görevi kullandılar. Araştırmanın ilk yazarları Dr. Francesca Greenstreet, Dr. Hernando Martinez Vergara ve Dr. Yvonne Johansson, genetik olarak kodlanmış bir dopamin sensörü kullanarak bu bölgedeki dopamin salınımının ödülle ilgili olmadığını, ancak hareketle ilgili olduğunu gösterdi.
Ödül ve eylem tahmin hatası kodlayan dopamin nöronları, farklı türdeki ilişkileri güçlendirmek için striatumun farklı alanlarına projeksiyon yapar. Kredi: Sainsbury Wellcome Centre.
“Striatumun kuyruğunu lezyonladığımızda, çok karakteristik bir model bulduk. Lezyonlu farelerin ve kontrol farelerinin başlangıçta aynı şekilde öğrendiğini, ancak yaklaşık %60-70 performansa ulaştıklarında, yani bir tercih geliştirdiklerinde (örneğin, yüksek bir ton için sola, düşük bir ton için sağa gidin), kontrol farelerinin hızla öğrendiğini ve uzman performansı geliştirdiğini, oysa lezyonlu farelerin yalnızca doğrusal bir şekilde öğrenmeye devam ettiğini gözlemledik. Bunun nedeni, lezyonlu farelerin yalnızca RPE’yi kullanabilmesi, kontrol farelerinin ise seçime katkıda bulunan RPE ve APE olmak üzere iki öğrenme sistemine sahip olmasıdır.”
APE geç dönem öğrenmede baskındır
Bunu daha iyi anlamak için ekip, uzman farelerde striatum kuyruğunu susturdu ve bunun görevdeki performansları üzerinde felaket bir etkisi olduğunu buldu. Bu, erken öğrenmede hayvanların RPE’ye dayalı değer temelli sistemi kullanarak bir tercih oluştururken, geç öğrenmede bu kararlı ilişkileri depolamak ve seçimlerini yönlendirmek için yalnızca striatum kuyruğundaki APE’yi kullanmaya geçtiklerini gösterdi. Ekip ayrıca iki sistemin, RPE ve APE’nin birlikte nasıl öğrendiğini anlamak için Dr. Claudia Clopath liderliğinde kapsamlı bir hesaplamalı modelleme kullandı.
İkili dopaminerjik öğretim sinyalleri, değere dayalı veya frekansa dayalı karar verme stratejilerini öğrenmek için kullanılır. Ödül tahmin hataları, hayvanların en değerli seçeneği seçmelerine olanak tanıyan seçeneklerin değerini güncellemek için kullanılır. Eylem tahmin hataları, bir seçeneğin ne sıklıkla seçildiğini güncellemek için kullanılır ve hayvanların en yaygın seçeneği seçmesine olanak tanır. Kredi: Sainsbury Wellcome Centre
Bu bulgular, kötü alışkanlıkları bırakmanın neden bu kadar zor olduğunu ve bir eylemi başka bir şeyle değiştirmenin neden en iyi strateji olabileceğine işaret ediyor. Sigara içmek yerine nikotin sakızı çiğnemek gibi bir eylemi yeterince tutarlı bir şekilde değiştirirseniz, APE sistemi görevi devralabilir ve diğerinin üzerine yeni bir alışkanlık oluşturabilir.
Beynin alışkanlık sistemini hedef almak
“Artık beyinde bu ikinci öğrenme sisteminin var olduğunu bildiğimize göre, kötü alışkanlıkları kırmak için yeni stratejiler geliştirmek için bilimsel bir temele sahibiz. Şimdiye kadar bağımlılıklar ve takıntılar üzerine yapılan araştırmaların çoğu nükleus akumbens üzerine odaklanmıştı. Araştırmamız, potansiyel terapötik hedefler için beyinde bakılacak yeni bir yer açtı” dedi.
Bu araştırmanın, özellikle substantia nigra pars compacta’da olmak üzere orta beyin dopamin nöronlarının ölümünden kaynaklandığı bilinen Parkinson hastalığı için de potansiyel etkileri bulunmaktadır. Öldüğü gösterilen hücre tipi, APE’nin kodlanmasından sorumlu olabilecek hareketle ilgili dopamin nöronlarıdır. Bu durum, Parkinson hastalarının yürümek gibi alışılmış davranışları yaparken neden eksiklik yaşadıklarını, ancak buz pateni gibi daha esnek davranışlarda neden eksiklik yaşamadıklarını açıklayabilir.
“Birdenbire Parkinson’daki paradoksal hareket için bir teorimiz oldu. Ölen hareketle ilgili nöronlar, alışılmış davranışları yönlendirenlerdir. Dolayısıyla, alışılmış sistemi kullanan hareket tehlikeye giriyor, ancak değer temelli esnek sisteminizi kullanan hareket iyi durumda. Bu bize beyinde bakmamız gereken yeni bir yer ve Parkinson hakkında düşünmemiz için yeni bir yol sunuyor,” diyerek sözlerini tamamladı Dr Stephenson-Jones.
Araştırma ekibi şimdi APE’nin alışkanlıklar için gerçekten gerekli olup olmadığını test ediyor. Ayrıca her bir sistemde tam olarak neyin öğrenildiğini ve ikisinin birlikte nasıl çalıştığını araştırıyorlar.
Kaynak: https://scitechdaily.com
Beyindeki Devasa Hafıza Kapasitesi Sadece Nöronlar Değil Astrositler Tarafından da Oluşturulabilir