Kolombiyalı biliminsanları beynin, karmaşık biyolojik yapısı sayesinde eski anıları silip atmadan yeni anılar oluşturabilme ve bu anılara yıllar, on yıllar, hatta bir ömür boyu sadık kalabilme yetisini açılayan yeni bir matematiksel model geliştirdi. Bu model, nörobilimcilerin hafızayla ilgili araştırmalarda daha kesin hedefler seçmelerine yardımcı olacağı gibi, insan beyninden esinlenen güçlü programlama sistemleri olan nöromorfik donanımların geliştirilmesine de katkı sağlayabilir.
“Beyinde durmaksızın yeni anılar oluşuyor, düzenleniyor ve depolanıyor. Sayısız deneye araştırma konusu olan bu süreçler öylesine karmaşık ki, tam olarak neler olduğunu anlayabilmek için biliminsanları matematiksel modeller geliştirmeye çalışıyor” diyor Dr. Stefano Fusi. Fusi, Kolombiya Mortimer B. Zuckerman Zihin Beyin Davranışları Enstitüsü’nün baş araştırmacılarından olmasının yanı sıra Kolombiya Üniversitesi’nde doçent doktor ve bu çalışmanın başyazarı. “Bizim modelimiz anılarımızın altında yatan biyoloji ve kimyanın neden bu kadar karmaşık olduğuna nihayet bir açıklama getiriyor; tabii bu karmaşıklığın beynin hatırlama yetisini nasıl etkilediğine de.”
Anıların nöronların yüzeyinde bulunan, sinaps adlı küçük yapılarda depolandığına inanılıyor. Bu sinapslar, elektriksel atımların taşıdığı normalde nörondan nörona geçen bilgilerin aktarımında birer iletim kanalı görevi görüyor. Hafızayla ilgili ilk modellerde, sinapslardan geçen elektrik sinyalleri bir müzik sistemindeki ses düğmesine benzetilmişti: Sinyaller şiddetlendikçe nöronlar arasındaki bağlantı da güçleniyordu. Anıların oluşması da bu sayede mümkün oluyordu.
Bu modeller, özellikle muazzam bir hafıza kapasitesi sergilemeleri bakımından, hayli işlevseldi. Ancak ilginç bir ikilemi de beraberlerinde getirdiler. “Sinapsların işlevini açıklamada basit, düğme benzeri bir model kullanmanın temel sıkıntısı düğmenin her iki yönde de sınırları bilinmeyen bir miktarda çevrilebileceğinin varsayılması” diyor Dr. Fusi, kendisi Kolombiya’nın Teorik Nörobilim Merkezinin de bir üyesi. “Ancak gerçek dünyada böyle bir durum söz konusu olamaz. Hem müzik sistemi düğmeleri hem de biyolojik sistemler için fiziksel limitler vardır.”
İlk modellere zorunlu olarak belirli limitler eklenince hafıza kapasiteleri çöktü. Dolayısıyla Dr. Fusi, Zuckerman Enstitüsünde çalışan beynin matematiksel modellerinin oluşturulmasında uzman olan araştırmacı meslektaşı Dr. Larry Abbott’un da yardımıyla, yeni bir alternatif öne sürdü: Her sinaps tek bir düğmeden çok daha karmaşık olduğundan, her bir sinaps çok düğmeli bir sistem olarak düşünülmeli.
2005 yılında Dr. Fusi ve Dr.Abbott bu fikri açıklayan bir araştırma yayımladılar. Araştırmalarında, sinapslardaki belki de her biri birer molekül yığını olan farklı düğmelerin birlikte çalışarak, nasıl eski anılar korunurken yenilerini oluşturabileceğini açıkladılar. Yine de araştırmacılar daha sonra bu modelin dahi beynin -özellikle de insan beyninin- tahmini kapasitesinin altında kaldığını fark etti.
“Fark ettik ki çeşitli sinaptik bileşenler -ya da düğmeler- yalnızca farklı zaman ölçekleriyle işlemekle kalmayıp aynı zamanda çok büyük ihtimalle birbirleriyle iletişim kuruyorlardı” diyor Dr. Marcus Benna. Nature Neuroscience’ta 3 Ekim’de yayımlanan çalışmanın birinci yazarı olan Benna da Kolombiya’nın Teorik Nörobilim Merkezi’nde araştırmacı biliminsanı. “Bileşenler arası iletişimi modelimize dahil ettiğimizde, depolama kapasitesi kat kat artarak canlı bir beynin kapasitesini çok daha iyi yansıtır hale geldi.”
Dr. Benna’ya göre bu model birbirine tüplerle bağlanmış bir beherler sistemine benziyor. “İçinde farklı miktarlarda su olan beherleri tüplerle birbirine bağladığımızda sıvı, tüm beherlerdeki miktar eşitleninceye kadar sistemdeki akışını sürdürecektir. Bizim modelimizin beherleri, bir sinapsın içindeki farklı bileşenler” diye açıklıyor Dr. Benna. “Beherlere su eklemek ya da suyun bir kısmını almak ise beyinde yeni anıların kodlanması anlamına geliyor. Zaman içerisinde akan sıvının diğer beherlere dağılması da anıların uzun süreli hafızaya geçmesine denk geliyor.”
Dr. Benna ve Dr. Fusi’nin umutları bu çalışmanın laboratuvardaki araştırmacılara, teorik bir taslak olarak yol göstermesi yönünde. Bu sayede ileride beynin bütüne daha yakın ve detaylı bir şemasını çizmek mümkün olabilir.
“Zuckerman Enstitüsünün Nobel Ödüllü yardımcı yöneticisi Dr. Eric Kandel’in çalışmalarının büyük katkısıyla, günümüzde hafızanın sinaps temelli olduğu kabul görüyor olsa da, sinapsların anıları yıllar boyunca bozulmaya uğratmadan nasıl koruduklarını açıklamak son derece zordu” diyor Dr. Abbott. “Dr. Benn ve Dr. Fusi’nin çalışması, sinapsın moleküler boyuttaki karmaşık yapısını incelemek isteyen araştırmacılara yol gösterici olacaktır.”
Modelin teknoloji üzerindeki yansımaları da umut vaat ediyor. Dr. Fusi uzun süredir biyolojik beynin birer kopyası olmak üzere tasarlanmış olan “norömorfik donanım” da denilen bilgisayarlarla ilgileniyor. “Günümüzde nöromorfik donanımın önündeki en büyük engel düşük hafıza kapasitesi. Özellikle bu sistemler kendi kendilerine öğrenmeye programlandıklarında kapasite feci halde düşüyor” diyor Dr. Fusi. “Sinaptik hafızanın daha iyi bir modelini yaratmak, bu durumun aşılmasına yardımcı olabilir. Zira böyle bir model, kompakt, enerji tasarruflu ve en az insan beyni kadar güçlü elektronik cihazların geliştirilmesini hızlandıracaktır.”
Çalışmanın başlığı, “Computational principles of the synaptic memory consolidation” (“Sinaptik hafızanın hesaba dayalı prensipleri”)
Çeviren: Defne Saraç
Türk Eğitim Vakfı İnanç Türkeş Özel Lisesi Öğrencisi
Kaynak: https://www.sciencedaily.com/releases/2016/10/161003120834.htm
Fotoaltı: Anıların nöronların yüzeyinde bulunan, sinaps adlı küçük yapılarda depolandığına inanılıyor. © vlorzor / Fotolia
