Korteksin, birbirine bağlı nöron döngüleriyle kablolanmış olmasının, yenilik algılamayı ağın otomatik olarak ortaya çıkan bir özelliği haline getirdiği sonucuna vardılar

Yeni bir çalışma, serebral korteksin bir “hafıza makinesi” gibi davrandığını ve geleceğe dair tahminlerini geliştirmek için sürekli olarak yeni uyaranlar tespit ettiğini gösteriyor.

Farelerin işitsel korteksini görüntüleyen araştırmacılar, nöronların zaman içinde duyusal girdileri takip ederek yeni bilgileri ayırt etmeye yardımcı olan “ekolar” oluşturduğunu buldular.

Bir sinir ağı modeli bu bulguları tekrarladı ve beynin kablolamasının doğal olarak yenilik tespitini desteklediğini gösterdi. Bu işlev algılama, öğrenme ve karar verme için çok önemlidir ve şizofreni hastalarının yeni bilgileri eski bilgilerden ayırt etmekte neden zorlandıklarını açıklayabilir.

Bulgular, yenilik tespitinde tek nöronlardan ziyade sinir ağlarının rolünü vurgulamaktadır. Bu araştırma, hem normal beyin fonksiyonunun hem de öngörücü işlemenin ters gittiği bozuklukların anlaşılmasını ilerletmektedir.

Önemli Gerçekler

Sinirsel Yankılar: Korteks, kısa süreli anıların oluşmasına yardımcı olan geçmiş uyaranların “yankılarını” kullanarak duyusal girdiyi izler.
Otomatik Yenilik Algılama: Sinir ağları, bireysel nöronlar yerine, kendi bağlantılarına dayanarak yeni uyaranları doğal olarak algılar.
Şizofreni İçgörüsü: Bulgular, şizofreni hastalarının neden yeni bilgileri eskilerden ayırt etmekte zorluk çektiğini açıklayabilir

Serebral korteks, bir memelinin beyninin en büyük kısmıdır ve bazı ölçütlere göre en önemlisidir. Özellikle insanlarda, çoğu şeyin gerçekleştiği yerdir; algı, düşünme, hafıza depolama ve karar verme gibi.

Güncel bir hipoteze göre, korteksin temel görevi, dış dünyadan gelen yeni bilgileri tanımlayıp kodlayarak ve bunları beklenen olaylarla karşılaştırarak gelecekte ne olacağını tahmin etmek.

Bugün Neuron dergisinde yayımlanan yeni bir çalışma, bu hipotezi kanıtlama yolunda büyük bir adım atıyor. Makalenin baş yazarı, Profesör Rafael Yuste’nin laboratuvarında doktora sonrası araştırmacı olan Yuriy Shymkiv.

-Shymkiv: “Korteksin bir hafıza makinesi gibi davrandığını, yeni deneyimleri kodladığını ve çok yakın geleceği tahmin ettiğini bulduk” .

-Yuste: “Bu çalışma serebral korteksin rolü ve şizofreni gibi korteksin işlev bozukluğu gösterdiği hastalıklar hakkında önemli bilgiler sağlıyor.. Bunun aynı zamanda normal beyindeki önemli süreçleri açıklığa kavuşturmaya yardımcı olduğunu belirtmeliyim…

Yenilik, olacağını tahmin ettiğiniz şey ile gerçekte gerçekleşen şey arasındaki farktır. Bu araştırma, serebral korteksin geleceğe dair tahminlerini değiştirmek ve iyileştirmek için sürekli olarak yeni uyaranlar tespit ettiğini gösteriyor. Yenilik tespiti, insanlar ve diğer hayvanlar için kritik bir işlevdir.”

Ekip, farelerin tanıdık ve yeni duyusal uyaranların bir karışımına nasıl tepki verdiğini belirlemek için bir çalışma tasarlayarak araştırmalarına başladı. Deneydeki uyaranlar, farklı perdelerde çalınan seslerdi.

Farelerin işitsel korteksini (sesleri işleyen beyin korteksinin bir parçası) görüntüledikten sonra, nöron gruplarının yalnızca hangi sesin çalındığına değil, aynı zamanda ne kadar yeni olduğuna da tepki verdiğini buldular.

İlginç bir şekilde, her sesin, zaman içinde duyusal girdileri izleyen ve yakın tarihli girdilerin kısa süreli anılarını oluşturan “eko” adını verdikleri bir nöronal aktivite izi bıraktığını buldular.

Bu aktivite yankıları, gelen her uyaranın kendine özgü bir tepkiye yol açmasını sağlamakla kalmıyor, aynı zamanda yeni uyaranların seçilmesine de hizmet ediyor ve bu tepkilerin çok daha güçlü hale gelmesini sağlıyor.

Bu bulguların daha iyi anlaşılması için ekip, işitsel korteksin bir sinir ağı modelini oluşturdu ve onu yeni uyaranları algılaması için eğitti. Farelerde gördüklerini tekrarladı ve nöron ağlarının da çevrenin bir modelini depolamak için aktivite “ekolarını” kullandığını ve bunu değişimi algılamak için kullandığını gösterdi. Korteksin, bağlı nöron döngüleriyle kablolanma biçiminin, yenilik algılamayı ağın otomatik olarak ortaya çıkan bir özelliği haline getirdiği sonucuna vardılar.

Yuste, Shymkiv’in oluşturduğu modelin, geçen yıl sinir ağı modelleri oluşturma ve yapay zekaya öncülük etme nedeniyle Nobel Ödülü kazanan John Hopfield’ın fikirlerine dayandığını belirterek, “Bu, beynin yeniliği algılama konusunda nasıl bu kadar iyi bir iş çıkardığını anlamada ileriye doğru atılmış bir adım” dedi.

Araştırma ayrıca serebral korteksin şizofrenide oynadığı birincil rol hakkında yeni bir bakış açısı sunuyor. Klinisyenler, şizofreni hastalarının yeni bilgileri eski bilgilerden ayırt etmede becerikli olmadıklarını yıllardır biliyorlar.

Bilim insanları bu bulguları tek tek nöronların davranışlarını yorumlayarak açıklamaya çalıştılar ancak sonunda zorluklarla karşılaştılar. Bu makalenin temel içgörülerinden biri, yenilik tespitinin tek nöronların değil, sinir ağlarının işi olduğunu keşfetmesidir.

-Yuste, “Bu bulguların beynin bu kritik kısmı hakkındaki anlayışımızı derinleştirebileceği ve ayrıca bu işlevlerin yanlış gittiği durumlar ve bunları düzeltmenin yolları hakkında önemli içgörüler sunabileceği için çok heyecanlıyız” .

Yavaş kortikal dinamikler bağlam işleme ve yenilik algılamayı üretir

Korteks, gereksiz olanları bastırırken yeni uyaranlara verilen tepkileri güçlendirir. Duyusal bilgileri verimli bir şekilde işlemek ve çevrenin öngörücü modellerini oluşturmak için yenilik tespiti gereklidir ve şizofrenide de değişir.

Yenilik tespitinin altında yatan devre mekanizmalarını araştırmak için, fare işitsel korteksindeki basit ve karmaşık uyaranlara verilen tepkileri ölçmek için işitsel bir “tuhaf” paradigma ve iki fotonlu kalsiyum görüntüleme kullandık. Uyarıcı istatistikleri ve karmaşıklık, işitsel alanlarda belirli tepkiler üretti.

Nöronal topluluklar işitsel özellikleri ve zamansal bağlamı güvenilir bir şekilde kodladı. İlginç bir şekilde, uyaranla uyandırılan popülasyon tepkileri özellikle uzun ömürlüydü, uyaran geçmişini yansıtıyordu ve gelecekteki tepkileri etkiliyordu.