Yeni Nöropiksel teknolojisi mozaik benzeri sinirsel bağlantıların kanıtını sağlıyor

Görsel uyaranların işlenmesi için iki beyin yapısı çok önemlidir: birincil serebral korteksteki görsel korteks ve orta beyindeki bir yapı olan superior kollikulus. Görme ve görsel bilgilerin işlenmesi oldukça karmaşık süreçleri içerir. Basitleştirilmiş terimlerle, görsel korteks genel görsel algıdan sorumludur, oysa evrimsel olarak daha yaşlı orta beyin yapıları görsel olarak yönlendirilen refleks davranışlardan sorumludur. Görsel korteks içindeki görsel işlemede yer alan mekanizmalar ve ilkeler iyi bilinmektedir. Dr. Jens Kremkow liderliğindeki bir araştırma ekibi tarafından yürütülen çalışma, bu alandaki bilgimize katkıda bulundu ve 2017’de Charité’nin Nörobilim Araştırma Merkezi’nde (NWFZ) bir Emmy Noether Junior Araştırma Grubunun kurulmasıyla sonuçlandı. Almanya Araştırma Vakfı (DFG) tarafından finanse edilen Araştırma Grubu’nun temel amacı, görsel sistemde yer alan sinir hücrelerine ilişkin anlayışımızı daha da geliştirmektir. Orta beynin üstün koliküllerinde görsel bilgilerin işlenme şeklinin ayrıntıları da dahil olmak üzere birçok cevaplanmamış soru kaldı.

Retina ganglion hücreleri, gözün retinasında bulunan duyu hücreleri, dış görsel uyaranlara tepki verir ve alınan bilgileri beyne gönderir. Doğrudan sinyal yolları, retina sinir hücreleri tarafından alınan görsel bilginin de orta beyne ulaşmasını sağlar. “Şimdiye kadar büyük ölçüde bilinmeyen şey, retinadaki sinir hücrelerinin ve orta beyindeki sinir hücrelerinin işlevsel bir düzeyde birbirine bağlanma şeklidir. Üst kolliküldeki nöronların sinaptik girdileri işleme biçimine ilişkin bilgi eksikliği benzer şekildeydi. belirgin,” diyor çalışma lideri Dr. Kremkow. “Bu bilgi, orta beyin işlemede yer alan mekanizmaları anlamak için çok önemlidir.” Şimdiye kadar, canlı organizmalarda sinaptik olarak bağlı retina ve orta beyin nöronlarının aktivitesini ölçmek imkansızdı. En son araştırmaları için araştırma ekibi, Neuropixels probları olarak bilinen yenilikçi, yüksek yoğunluklu elektrotlarla elde edilen ölçümlere dayanan bir yöntem geliştirdi. Kesin olarak söylemek gerekirse, Neuropixels probları, dar bir gövde boyunca yaklaşık bin kayıt alanı içeren küçük, doğrusal elektrot dizileridir. Beyindeki nöronların elektriksel aktivitesinin aynı anda kaydedilmesi için 384 elektrottan oluşan bu cihazlar, sinirbilim alanında ezber bozan cihazlar haline geldi.

Charité ve Max Planck Biyolojik Zeka Enstitüsü’nde çalışan araştırmacılar, farelerde (superior colliculi) ve kuşlarda (optic tectum) ilgili orta beyin yapılarını belirlemek için bu yeni teknolojiyi kullandılar. Her iki beyin yapısı da ortak bir evrimsel kökene sahiptir ve her iki hayvan grubunda da retinal girdi sinyallerinin görsel olarak işlenmesinde önemli bir rol oynar. Çalışmaları araştırmacıları şaşırtıcı bir keşfe yönlendirdi: “Genellikle, bu tür elektrofizyolojik kayıt, nöronun hücre gövdesi olan soma’dan kaynaklanan aksiyon potansiyellerinden gelen elektrik sinyallerini ölçer” diye açıklıyor Dr. Kremkow. “Ancak kayıtlarımızda, görünümü normal aksiyon potansiyellerinden farklı olan sinyalleri fark ettik. Bu fenomenin nedenini araştırmaya devam ettik ve orta beyindeki giriş sinyallerinin “aksonal arbors” içinde yayılan aksiyon potansiyellerinden kaynaklandığını bulduk. (dalları). Bulgularımız, yeni elektron dizisi teknolojisinin, nöronal sinyalleri ileten sinir hücresi projeksiyonları olan aksonlardan yayılan elektrik sinyallerini kaydetmek için kullanılabileceğini gösteriyor. Bu yepyeni bir bulgu.” Küresel bir ilk olarak, Dr. Kremkow’un ekibi, retinadaki sinir hücrelerinin ve orta beyindeki sinaptik olarak bağlı hedef nöronlarının aktivitesini aynı anda yakalamayı başardı.

Şimdiye kadar, göz ve orta beyin arasındaki işlevsel bağlantı bilinmeyen bir miktar olarak kaldı. Araştırmacılar, tek hücre düzeyinde, orta beyindeki retina ganglion hücrelerinden gelen girdilerin uzamsal organizasyonunun, orijinal retina girdisinin çok kesin bir temsilini oluşturduğunu gösterebildiler. Dr. Kremkow, “Orta beyin yapıları, retina yapısının neredeyse bire bir kopyasını etkin bir şekilde sağlıyor” diyor. Devam ediyor: “Bizim için bir başka yeni bulgu, orta beyindeki nöronların, retina ganglion hücrelerinden çok güçlü ve spesifik bir sinaptik girdi alması, ancak bu duyusal nöronların yalnızca az bir kısmından almasıydı. Bu nöral yollar, çok yapılandırılmış ve işlevsel bir bağlantı sağlar. gözün retinası ile orta beynin karşılık gelen bölgeleri arasında.” Diğer şeylerin yanı sıra, bu yeni içgörü, travma veya tümör nedeniyle görsel kortekste sürekli hasar görmüş kişilerde gözlemlenebilen kör görüş olarak bilinen fenomen hakkındaki anlayışımızı geliştirecektir. Bilinçli algıdan yoksun olan bu bireyler, görsel bilgiyi işlemek için artık bir yeteneğe sahiptir ve bu da, orta beyinle bağlantılı gibi görünen uyaranların, konturların, hareketlerin ve hatta renklerin sezgisel bir şekilde algılanmasıyla sonuçlanır.

Fare modelinde başlangıçta gözlemlenen ilkelerin diğer omurgalılara da uygulanıp uygulanamayacağını ve dolayısıyla doğada daha genel olup olamayacaklarını test etmek için Dr. Kremkow ve ekibi, Max Planck Biyolojik Zeka Enstitüsü’nden bir ekiple birlikte çalıştı. burada Dr. Daniele Vallentin liderliğindeki bir Lise Meitner Araştırma Grubu, kuşlardaki hassas hareketlerin koordinasyonundan sorumlu nöronal devrelere odaklanıyor. Dr. Vallentin, “Aynı tür ölçümleri kullanarak, zebra ispinozlarında retina ve orta beyni birbirine bağlayan sinir yollarının uzamsal organizasyonunun benzer bir ilkeyi izlediğini gösterebildik” diyor. Şöyle ekliyor: “Kuşların önemli ölçüde daha yüksek görme keskinliğine sahip olduğu ve kuşlar ile memeliler arasındaki evrimsel mesafenin dikkate değer olduğu düşünüldüğünde, bu bulgu şaşırtıcıydı.” Araştırmacıların gözlemleri, hem optik tektumdaki hem de üst kolliküldeki retina ganglion hücrelerinin benzer mekansal organizasyon ve fonksiyonel kablolama gösterdiğini gösteriyor. Bulguları, araştırmacıları, keşfedilen ilkelerin memeli orta beynindeki görsel işleme için çok önemli olması gerektiği sonucuna varmalarına yol açtı. Bu ilkeler, insan beyni de dahil olmak üzere tüm omurgalı beyinleri için geçerli olacak şekilde, doğada genel olabilir.

Araştırmacıların gelecek planlarıyla ilgili olarak Dr. Kremkow şunları söylüyor: “Artık retina gangliyon hücreleri ile superior kolikül içindeki nöronlar arasındaki fonksiyonel, mozaik benzeri bağlantıları anladığımıza göre, duyusal sinyallerin vizyonda işlenme şeklini daha fazla keşfedeceğiz. sistem, özellikle orta beyin bölgelerinde ve görsel olarak yönlendirilen dönüşlü davranışa nasıl katkıda bulundukları.” Ekip ayrıca, yeni yöntemin başka yapılarda kullanılıp kullanılamayacağını ve beynin başka yerlerinde aksonal aktiviteyi ölçmek için kullanılıp kullanılamayacağını belirlemek istiyor. Bunun mümkün olduğu kanıtlanırsa, beynin altında yatan mekanizmaları keşfetmek için çok sayıda yeni fırsatın kapısını aralayacaktır.