Sinirbilim

Zombi Nöronları: Beyincikteki Öğrenme Sırlarının Kilidini Açmak

Özet: Araştırmacılar beyincikte, bu beyin bölgesinin geçmiş deneyimler aracılığıyla öğrenmeyi nasıl kolaylaştırdığına dair yeni bilgiler sunan “zombi nöronlar” tespit etti. Ekip, optogenetikten yararlanarak serebellar girdileri, özellikle de tırmanan lifleri manipüle ederek bunların farelerdeki koşullu göz kırpma tepkisi gibi ilişkisel öğrenme süreçlerindeki önemli rollerini gösterdi.

Şaşırtıcı bir şekilde, tırmanan lifler, optogenetik manipülasyon için Channelrhodopsin-2’yi ifade edecek şekilde değiştirildiğinde, geleneksel duyusal uyaranlara yanıt vermeyi bıraktılar, ancak yine de doğrudan uyarıldığında öğrenmeyi kolaylaştırdılar ve onlara “zombi nöronlar” adını kazandırdılar. Bu tesadüfi keşif, yalnızca serebellar öğrenmede lif sinyallerini artırmanın temel işlevini vurgulamakla kalmıyor, aynı zamanda alanı beyin plastisitesi ve öğrenme mekanizmalarına ilişkin daha derin araştırmalara doğru yönlendiriyor.

Ana unsurlar:

  1. Tırmanan lifler, beyin bağlantılarının gücünü hatalara göre ayarlayarak beynin “öğretme sinyalleri” olarak görev yapan serebellar ilişkisel öğrenme için çok önemlidir.
  2. Çalışma, tırmanma liflerini Channelrhodopsin-2 ile değiştirmenin, canlı ancak standart duyusal uyaranları işleyemeyen, ancak doğrudan uyarıldığında öğrenmeyi tetikleyebilen “zombi nöronlar” oluşturduğunu ortaya çıkardı.
  3. Bu araştırma, serebellar öğrenmede lif sinyallerini artırmanın gerekliliğine dair şimdiye kadarki en ikna edici kanıtları sunarak, serebellar öğrenme formlarının ve nöronal manipülasyonun etkilerinin daha fazla araştırılması için zemin hazırlıyor.

Kaynak: Bilinmeyenler için Champalimaud Merkezi

Başınızın arkasında yer alan beyincik, eylemlerimizi geçmiş deneyimlere göre uyarlayarak öğrenme şeklimizde çok önemli bir rol oynayan bir beyin yapısıdır. Ancak bu öğrenmenin gerçekleştiği kesin yollar hâlâ tanımlanıyor.

Champalimaud Vakfı’ndan bir ekip tarafından yürütülen bir çalışma, “zombi nöronları” olarak adlandırılan tesadüfi bir bulguyla bu tartışmaya yeni bir açıklık getiriyor. Canlı fakat işlevsel olarak değiştirilmiş olan bu nöronlar, beyinciğin kritik öğretim sinyallerine ilişkin anlayışımızı ilerletmeye yardımcı oldu.

“Beyincik” kelimesi, beyindeki nöronların yarısından fazlasını barındırmasına rağmen “küçük beyin” anlamına gelir. Hareketleri ve dengeyi koordine etmek, kalabalık bir caddede yürümek veya spor yapmak gibi günlük görevleri sorunsuz bir şekilde yerine getirmenize yardımcı olmak için gereklidir.

Duyusal ipuçlarını belirli eylemlerle ilişkilendirmenize olanak tanıyan öğrenme süreci için de çok önemlidir. İçini dökmeden bir bardağı her aldığınızda, uyguladığınız kuvvet miktarını kabın ağırlığına ve doluluğuna göre zahmetsizce ayarladığınızda, beyinciğin görsel sinyalleri karşılık gelen hareketle ilişkilendirme yeteneğinin sonuçlarını yaşıyorsunuz. tepkiler.

Beynin “öğretme sinyalleri”

Öğrenmenin gerçekleşmesi için beyincik sürekli olarak dış dünyayı ve onun içinde yaptığımız hareketlerin sonuçlarını izler.

Bir hata yaptığımızda, hatalarımızla ilgili bilgiler beyin bağlantılarının gücünü ayarlamak için kullanılabilir ve bu da zamanla belirli ipuçlarına verdiğimiz davranışsal tepkilerde değişikliklere yol açar. Ancak bu tür “hataların” veya “öğretme sinyallerinin” davranışta öğrenilmiş değişiklikleri yönlendirmek için beyinde nasıl temsil edildiği tam olarak bilinmemektedir.

Champalimaud Vakfı’nın Carey Laboratuvarı’nın en son araştırması şu tarihte yayınlandı: Doğa Sinir BilimiTırmanan lifler olarak adlandırılan belirli bir beyincik girdileri sınıfındaki aktivitenin, ilişkisel öğrenmenin gerçekleşmesi için kesinlikle gerekli olduğuna dair ikna edici kanıtlar sağlar.

Tırmanan liflerin ve hedeflerinin, yani serebellar Purkinje hücrelerinin öğrenmedeki rolünü incelemek için araştırmacılar, fareleri içeren bir deney tasarladılar. Göz kırpma şartlandırması olarak bilinen ortak bir öğrenme görevini kullandılar. Bu görevde fare, bir olaydan önce gelen ışık gibi belirli bir sinyale (tipik olarak gözüne yönelik hafif bir hava üflemesi) yanıt olarak göz kırpmayı öğrenir.

Hayvanlar daha sonra çağrışımsal öğrenme sergiliyor, duyusal bir sinyali uyarlanabilir bir hareket tepkisine bağlamayı öğreniyor (bu durumda yanıp sönüyor).

Araştırmanın baş yazarı Dr. Tatiana Silva şöyle açıklıyor: “Deneyimizde optogenetik adı verilen bir teknik kullandık. Bu yöntem, beyin hücreleri için son derece hassas bir uzaktan kumanda gibi işlev görüyor; ışığı kullanarak belirli hücreleri son derece belirli zamanlarda açıp kapatıyor”. Silva şöyle devam ediyor:

“Tırmanan lifler normalde göze gelen bir hava üflemesi gibi duyusal uyaranlara tepki verir. Bu lifleri optogenetikle hassas bir şekilde etkinleştirerek, fareyi, aslında almadığı halde hava kabarcığı aldığını düşünmesi için kandırmayı başardık.

“Görsel bir işaretin sunumu sırasında tırmanma liflerini sürekli olarak uyardıktan sonra, fareler, uyarı olmadığında bile bu işarete yanıt olarak göz kırpmayı öğrendiler. Bu, bu liflerin yeterli bu tür ilişkisel öğrenmeyi yönlendirmek için”.

Yazarlar ayrıca tırmanma liflerinin de olduğunu gösterebildiler. gerekli ilişkisel öğrenme için.

Silva, “Gerçek bir hava üflemesinin sunumu sırasında tırmanan lifleri seçici olarak susturmak için optogenetik kullandığımızda”, “fareler görsel işarete yanıt olarak göz kırpmayı öğrenmede tamamen başarısız oldu” diye açıklıyor.

Carey’nin ekibi benzer şekilde beyincikteki başka türdeki beyin hücrelerini de manipüle etti, ancak hiçbirinin öğrenme için bu kadar güvenilir öğretim sinyalleri sağlayamadığını buldu.

“Zombi Nöronların” Ortaya Çıkışı

Bazı verilere daha yakından bakıldığında araştırmacılar beklenmedik bir gelişme keşfettiler. Tırmanma lifi aktivitesini optogenetik kullanarak manipüle etmek için, bu nöronlarda Channelrhodopsin-2 (ChR2) adı verilen ışığa duyarlı bir proteini eksprese etmek için genetik araçlar kullanmışlardı.

Şaşırtıcı bir şekilde, ChR2 eksprese eden farelere geleneksel hava püskürtme yöntemini kullanarak öğretmeye çalıştıklarında hayvanların öğrenmede tamamen başarısız olduklarını buldular.

Carey’nin açıkladığı gibi, bu farelerin serebellasındaki nöral aktivitenin sistematik kayıtlarından sonra, “ChR2’nin tırmanma liflerine dahil edilmesinin, bunların doğal özelliklerini değiştirdiği ve bunların hava üflemesi gibi standart duyusal uyaranlara uygun şekilde yanıt vermesini engellediği ortaya çıktı. Bu da hayvanların öğrenme yeteneğini tamamen engelledi”.

Silva şöyle diyor: “Dikkate değer olan şey, aynı farelerin, hava üfleme yerine tırmanma lifi uyarımını görsel bir işaretle eşleştirdiğimizde mükemmel bir şekilde öğrenmeleriydi.”

Ekip, istemeden de olsa nörobilimde uzun süredir devam eden bir hedefe ulaşmıştı: belirli nöronlar içindeki belirli aktivite modellerini, iletişimlerini tamamen kesmeden modüle etmek, böylece nedensel rollerini açıklığa kavuşturmak için daha doğal bir müdahale sağlamak.

Başka bir deyişle, tırmanma lifleri kendiliğinden aktif kalmasına ve diğer açılardan açıkça işlevsel olmasına rağmen, duyusal uyaranların değiştirilmiş kodlaması, hayvanların bu görevi öğrenmesini tamamen engelledi. Bu, Silva’nın onları “zombi nöronlar” olarak adlandırmasına yol açtı: işlevsel olarak canlı ama her zamanki gibi beyin devresiyle etkileşime girmiyor.

Tırmanan liflerdeki ChR2 ifadesinin beklenmedik etkilerinin inceliğinden dolayı Dr. Megan Carey şöyle diyor: “Bu sonuçlar, tırmanan lif sinyallerinin serebellar ilişkisel öğrenme için gerekli olduğuna dair bugüne kadarki en ikna edici kanıt olarak hizmet ediyor.

“Sonraki adımlarımız, ChR2 ekspresyonunun neden nöronların ‘zombifikasyonuna’ yol açtığını anlamayı ve bulgularımızın diğer serebellar öğrenme biçimlerine uzanıp uzanmadığını belirlemeyi içeriyor”.

Görünüşe göre ölümsüzlerin bile bize yaşayanların dünyası hakkında öğretecek bir şeyleri var.

Bu nöroplastisite ve öğrenme araştırması haberleri hakkında

Soyut

İlişkisel serebellar öğrenme için sinirsel öğretici sinyaller

Denetimli öğrenme, davranışta öğrenilen değişiklikleri desteklemek için sinir devrelerinin çıktısını şekillendiren öğretici sinyallere bağlıdır. Serebellar kortekse giden tırmanan lif (CF) girdileri, omurgalı beynindeki nöral öğretici sinyallerin iletilmesi için en güçlü adaylardan birini temsil eder.

Bununla birlikte, son araştırmalar Purkinje hücresi uyarımının aynı zamanda serebellar öğrenmeyi de yönlendirebildiğini ve bu iki nöron tipinin serebellum bağımlı davranışlar için öğretici sinyaller sağlamadaki göreceli öneminin çözülmeden kaldığını göstermiştir. Bu çalışmada farelerde göz kırpma koşullandırmasını geciktirmeye katkılarını sistematik olarak değerlendirmek için çeşitli serebellar devre elemanlarının hücre tipine özgü bozulmalarını kullandık.

Bulgularımız, CF’lerin veya Purkinje hücrelerinin optogenetik uyarılmasının bazı koşullar altında öğrenmeyi yönlendirebilmesine rağmen, CF sinyallemesindeki hafif azalmaların bile doğal uyaranlara yönelik öğrenmeyi tamamen engellediğini ortaya koyuyor. CF’lerin ve karşılık gelen Purkinje hücre kompleksi spike olaylarının, ilişkisel serebellar öğrenme için gerekli öğretici sinyalleri sağladığı sonucuna vardık.

Kaynak ve İleri Okuma: https://neurosciencenews.com/zombie-neurons-learning-cerebellum-25844/

İlgili Makaleler

Başa dön tuşu