ETİK
KÜLTÜR & SANAT
Yeni Nöronal Devre Modeli Göz Hareketleri Hakkında Fikir Veriyor
Görsel kredi: Jessica Plavicki
Yeni Nöronal Devre Modeli Göz Hareketleri Hakkında Fikir Veriyor
Doç. Dr. Emre Aksay
[Yayım Tarihi: 28 Kasım 2024]
Amerika Cornell Üniversitesi Weill Tıp Fakültesi Fizyoloji ve Biyofizik Bölümü " Hesaplamalı Biyomedikal Enstitüsü'nde Hesaplamalı Sinirbilim Doçenti ", " Fizyoloji, Biyofizik ve Sistem Biyolojisi Lisansüstü Programı Direktörü " Dr. Emre Aksay'a araştırma çalışmalarından birinin özetini içeren güncel makalelerinin ETP Portalımızda yayınına izin verdiği için teşekkür eder, çalışmalarında başarılar dileriz.
.png)
Zebra balığı, konfokal mikroskop ile fotoğraflanmıştır. Göz hareketini kontrol eden beyin bölgesi balıklarda ve memelilerde yapısal olarak benzerdir, ancak zebra balığı sistemi sadece 500 nöron içerir, bu da onu iyi bir model organizma yapar.
Görsel kredi: Jessica Plavicki
Bir haftalık zebra balığı larvalarıyla çalışan Weill Cornell Medicine'den araştırmacılar ve meslektaşları, beyin sapındaki bir nöron ağı tarafından oluşturulan bağlantıların balıkların bakışlarını nasıl yönlendirdiğini çözdüler. Nature Neuroscience'da 22 Kasım'da yayınlanan çalışmada, bu nöronal sistemin mimarisine dayanan basitleştirilmiş bir yapay devrenin ağdaki aktiviteyi tahmin edebileceği bulundu. Bulgular, beynin kısa süreli hafızayı nasıl işlediğine ışık tutmanın yanı sıra, göz hareketi bozukluklarının tedavisinde yeni yaklaşımlara yol açabilir.
Organizmalar sürekli olarak çevre hakkında bir andan diğerine değişen bir dizi duyusal bilgi alırlar. Bir durumu doğru bir şekilde değerlendirmek için, beynin bu bilgi kırıntılarını tam bir resim oluşturmak için kullanacak kadar uzun süre tutması gerekir - örneğin, bir cümledeki kelimeleri birbirine bağlamak veya bir hayvanın gözlerini ilgi alanına yönlendirmesine izin vermek gibi.
Çalışmayı California Davis Üniversitesi'nden Dr. Mark Goldman ve Princeton Üniversitesi'nden Dr. Sebastian Seung ile birlikte yürüten Weill Cornell Medicine'de fizyoloji ve biyofizik profesörü olan kıdemli yazar Doç. Dr. Emre Aksay, "Bu kısa süreli bellek davranışlarının sinirsel mekanizma düzeyinde nasıl üretildiğini anlamaya çalışmak projenin temel amacıdır" dedi.
Dinamik Bir Sistemin Modellenmesi
Bu tür nöronal devrelerin davranışını çözmek için sinirbilimciler dinamik sistem araçlarını kullanırlar. Bu, bir sistemin durumunun zaman içinde nasıl değiştiğini açıklayan matematiksel modeller oluşturmayı içerir; burada mevcut durum, bir dizi kurala göre gelecekteki durumlarını belirler. Örneğin kısa süreli bir bellek devresi, yeni bir uyarıcı gelip yeni bir faaliyet durumuna yerleşmesine neden olana kadar tercih edilen tek bir durumda kalacaktır. Görsel-motor sistemde, bu durumların her biri bir hayvanın nereye bakması gerektiğine dair hafızayı depolayabilir.
Peki bu tür bir dinamik sistemin kurulmasına hangi parametreler yardımcı olur? Bir olasılık devrenin anatomisidir: her nöron arasında oluşan bağlantılar ve kaç bağlantı yaptıkları. Bir diğer olası ihtimal de, salınan nörotransmitter miktarı, sinaptik reseptörlerin türü ve bu reseptörlerin konsantrasyonu gibi sayısız faktör tarafından kurulan bu bağlantıların fizyolojik gücüdür.
Devre anatomisinin katkılarını anlamak için Dr. Aksay ve çalışma arkadaşları larva zebra balıklarına baktı. Beş günlük olan bu balık yavruları, sürekli görsel dikkat gerektiren bir beceri olan avın etrafında yüzüyor ve avlanıyor. Araştırma ekibi için önemli olan, hayvanların göz hareketlerini kontrol eden beyin bölgesinin balıklarda ve memelilerde yapısal olarak benzer olmasıdır. Ancak zebra balığı sistemi sadece 500 nöron içeriyor. Dr. Aksay, "Böylece tüm devreyi mikroskobik ve işlevsel olarak analiz edebiliyoruz" dedi. "Diğer omurgalılarda bunu yapmak çok zor."
Görsel kredi: Jessica Plavicki
Bir haftalık zebra balığı larvalarıyla çalışan Weill Cornell Medicine'den araştırmacılar ve meslektaşları, beyin sapındaki bir nöron ağı tarafından oluşturulan bağlantıların balıkların bakışlarını nasıl yönlendirdiğini çözdüler. Nature Neuroscience'da 22 Kasım'da yayınlanan çalışmada, bu nöronal sistemin mimarisine dayanan basitleştirilmiş bir yapay devrenin ağdaki aktiviteyi tahmin edebileceği bulundu. Bulgular, beynin kısa süreli hafızayı nasıl işlediğine ışık tutmanın yanı sıra, göz hareketi bozukluklarının tedavisinde yeni yaklaşımlara yol açabilir.
Organizmalar sürekli olarak çevre hakkında bir andan diğerine değişen bir dizi duyusal bilgi alırlar. Bir durumu doğru bir şekilde değerlendirmek için, beynin bu bilgi kırıntılarını tam bir resim oluşturmak için kullanacak kadar uzun süre tutması gerekir - örneğin, bir cümledeki kelimeleri birbirine bağlamak veya bir hayvanın gözlerini ilgi alanına yönlendirmesine izin vermek gibi.
Çalışmayı California Davis Üniversitesi'nden Dr. Mark Goldman ve Princeton Üniversitesi'nden Dr. Sebastian Seung ile birlikte yürüten Weill Cornell Medicine'de fizyoloji ve biyofizik profesörü olan kıdemli yazar Doç. Dr. Emre Aksay, "Bu kısa süreli bellek davranışlarının sinirsel mekanizma düzeyinde nasıl üretildiğini anlamaya çalışmak projenin temel amacıdır" dedi.
Dinamik Bir Sistemin Modellenmesi
Bu tür nöronal devrelerin davranışını çözmek için sinirbilimciler dinamik sistem araçlarını kullanırlar. Bu, bir sistemin durumunun zaman içinde nasıl değiştiğini açıklayan matematiksel modeller oluşturmayı içerir; burada mevcut durum, bir dizi kurala göre gelecekteki durumlarını belirler. Örneğin kısa süreli bir bellek devresi, yeni bir uyarıcı gelip yeni bir faaliyet durumuna yerleşmesine neden olana kadar tercih edilen tek bir durumda kalacaktır. Görsel-motor sistemde, bu durumların her biri bir hayvanın nereye bakması gerektiğine dair hafızayı depolayabilir.
Peki bu tür bir dinamik sistemin kurulmasına hangi parametreler yardımcı olur? Bir olasılık devrenin anatomisidir: her nöron arasında oluşan bağlantılar ve kaç bağlantı yaptıkları. Bir diğer olası ihtimal de, salınan nörotransmitter miktarı, sinaptik reseptörlerin türü ve bu reseptörlerin konsantrasyonu gibi sayısız faktör tarafından kurulan bu bağlantıların fizyolojik gücüdür.
Devre anatomisinin katkılarını anlamak için Dr. Aksay ve çalışma arkadaşları larva zebra balıklarına baktı. Beş günlük olan bu balık yavruları, sürekli görsel dikkat gerektiren bir beceri olan avın etrafında yüzüyor ve avlanıyor. Araştırma ekibi için önemli olan, hayvanların göz hareketlerini kontrol eden beyin bölgesinin balıklarda ve memelilerde yapısal olarak benzer olmasıdır. Ancak zebra balığı sistemi sadece 500 nöron içeriyor. Dr. Aksay, "Böylece tüm devreyi mikroskobik ve işlevsel olarak analiz edebiliyoruz" dedi. "Diğer omurgalılarda bunu yapmak çok zor."
.png)
Zebra Balığı Nöronal Devrelere Işık Tuttu
Dr. Aksay ve meslektaşları, bir dizi gelişmiş görüntüleme tekniği kullanarak hayvanların bakışlarını kontrol etmeye katılan nöronları belirledi ve ardından bu nöronların birbirine nasıl bağlandığını tespit etti. Sistemin, her biri birbirine sıkıca bağlı üç hücre kümesi içeren iki belirgin geri bildirim döngüsünden oluştuğunu keşfettiler. Araştırmacılar bu ayırt edici mimariyi bir hesaplama modeli oluşturmak için kullandılar. Yapay ağlarının, sonuçlarını fizyolojik verilerle karşılaştırarak doğruladıkları zebra balığı devresinin aktivite modellerini doğru bir şekilde tahmin edebildiğini buldular.
Dr. Aksay, "Ben kendimi her şeyden önce bir fizyolog olarak görüyorum" dedi. "Dolayısıyla, devrenin davranışının ne kadarını sadece anatomik mimariden tahmin edebildiğimize şaşırdım."
Araştırmacılar daha sonra, her kümedeki hücrelerin devrenin davranışına nasıl katkıda bulunduğunu ve farklı kümelerdeki nöronların farklı genetik imzalara sahip olup olmadığını araştıracaklar. Bu tür bilgiler, klinik tedavi uzmanlarının göz hareketi bozukluklarında hatalı çalışabilecek hücreleri terapötik olarak hedeflemelerine olanak sağlayabilir. Bulgular ayrıca, beyinde görsel sahnelerin deşifre edilmesi veya konuşmanın anlaşılması gibi kısa süreli belleğe dayanan daha karmaşık hesaplama sistemlerinin çözülmesi için bir plan sunmaktadır.
Bu çalışma kısmen Ulusal Sağlık Enstitüleri tarafından Ulusal Nörolojik Bozukluklar ve İnme Enstitüsü R01 NS104926 ve Beyin girişimi ödülü 5U19NS104648; Ulusal Göz Enstitüsü R01 EY027036, R01 EY021581 ve K99 EY027017; ve Ulusal Kanser Enstitüsü UH2 CA203710 tarafından desteklenmiştir.
Dr. Aksay, "Ben kendimi her şeyden önce bir fizyolog olarak görüyorum" dedi. "Dolayısıyla, devrenin davranışının ne kadarını sadece anatomik mimariden tahmin edebildiğimize şaşırdım."
Araştırmacılar daha sonra, her kümedeki hücrelerin devrenin davranışına nasıl katkıda bulunduğunu ve farklı kümelerdeki nöronların farklı genetik imzalara sahip olup olmadığını araştıracaklar. Bu tür bilgiler, klinik tedavi uzmanlarının göz hareketi bozukluklarında hatalı çalışabilecek hücreleri terapötik olarak hedeflemelerine olanak sağlayabilir. Bulgular ayrıca, beyinde görsel sahnelerin deşifre edilmesi veya konuşmanın anlaşılması gibi kısa süreli belleğe dayanan daha karmaşık hesaplama sistemlerinin çözülmesi için bir plan sunmaktadır.
Bu çalışma kısmen Ulusal Sağlık Enstitüleri tarafından Ulusal Nörolojik Bozukluklar ve İnme Enstitüsü R01 NS104926 ve Beyin girişimi ödülü 5U19NS104648; Ulusal Göz Enstitüsü R01 EY027036, R01 EY021581 ve K99 EY027017; ve Ulusal Kanser Enstitüsü UH2 CA203710 tarafından desteklenmiştir.
Paylaş:
E-BÜLTEN KAYIT
Güncel makalelerimizden haberdar olmak için e-bültene kayıt olun!
Güncel makalelerimizden haberdar olmak için e-bültene kayıt olun!