Ana sayfa Bilim Gündemi “Göçebe” beyin dalgaları, bilinç açısından kritik bir öneme sahip olabilir!

“Göçebe” beyin dalgaları, bilinç açısından kritik bir öneme sahip olabilir!

216
PAYLAŞ
Nöral sinyallerin fiziksel hareketi, beyin fonksiyonunda daha önceden düşünülenden daha önemli bir rol oynayabilir. © Getty Images.

Çeviren: Dilara Gündoğdu

Beyin dalgaları dediğimiz elektriksel salınımlar, bir yüzyıldan fazla süredir biliminsanları ve halkın ilgisini çekmeye devam ediyor. Ama işlevi, hâlâ büyük bir tartışma konusu. Birçok nörobilimci eğer beyin dalgaları bir şey yapıyorsa, bunun farklı yerlerde senkronize olarak salınmak olduğunda hemfikirler. Bununla birlikte, giderek gelişmekte olan bir araştırma, birçok beyin dalgasının aslında denizdeki dalgalar gibi beynin içinde hareket eden “göçebe dalgalar” olduğunu öne sürüyor!
Columbia Üniversitesi’nde nörobilim üzerine çalışmakta olan Joshua Jacobs’ın önderliğindeki ekip, göçebe dalgalarının aslında yüksek bilişsel işlevlerin yuvası olan beyin korteksinde yaygın olduğunu ve beynin bir görevi ne kadar iyi yerine getirdiğine bağlı olarak daha organize hale geldiklerini savunuyor. Bu durum, dalgaların davranışla ilgili olduğunu, ayrıca bellek, algı, dikkat ve hatta bilince katkıda bulunan, önemli fakat gözden kaçan bir beyin mekanizması olduğu düşüncesini ortaya koyan önceki çalışmayı destekler nitelikte.

Kafa derisine yerleştirilen elektrotlardan, beyine yerleştirilenlere!

Beyin dalgaları ilk kez, kafa derisine elektrotlar yerleştirmeyi içeren elektroensefalogram (EEG) teknikleri kullanılarak keşfedildi. Araştırmacılar, deltadan (0.5 ila 4 Hertz) gammaya (25 ila 140 Hertz) kadar bir dizi farklı frekans bandında beyin aktivitelerini kaydetti. En yavaş olan delta frekansı, derin uykuda; bilinç ile konsantrasyon artışına bağlı olarak artan frekanslarda görülür. EEG verilerini yorumlamak, aktivitenin yerini belirlemede yetersiz kalışı ve kafanın içinden geçen sinyallerin bulanıklaştırması nedeniyle zordur. Bu ayın başında Neuron’da yayımlanan yeni bir çalışma, elektrokortikografi (ECoG) adı verilen daha yeni bir teknik kullanarak elektrot dizilerini doğrudan beyin yüzeyine yerleştirilip, çarpıklıkları en aza indirgemeyip, uzamsal çözünürlüğü büyük ölçüde iyileştirerek sinyalleri bozulmadan görünebilmesi için yeni bir kapı aralıyor.

Beyin dalgalarının dünü ve bugünü
Biliminsanları beyin dalgaları için çok sayıda olası işlev ileri sürdü. Önde gelen hipotezlerden biri, senkronize salınımların beynin farklı yerlerindeki bilgilerin aynı “şey” ile ilgili olanlarını birbirine “bağlanmasına” yardımcı olduğunu üzerine. Burada bahsedilen “şey” kavramı, aslında görsel bir nesnenin sahip olduğu farklı özellikleri (şekli, rengi, nasıl hareket ettiği, vb.) gibidir. Bu konu üzerine olan fikir, dalgaların beyin bölgeleri arasındaki bilgi transferini kolaylaştırıyor olmalarını savunuyor. Ancak bu tür hipotezler, dalgaların “göçebe” dalgalardan (bir spor etkinliğinde Meksika dalga yapan bir kalabalıkta olduğu gibi) ziyade “durağan” dalgalar (iki kişinin atlama ipini yukarı ve aşağı sallamasından oluşan dalga gibi) üreterek senkronize olmasını gerektirir. Bu önemlidir, çünkü göçebe dalgalar, diğer beyin bölgelerinin geçmiş durumları hakkında bilgi sağlayabilmek gibi farklı özelliklere sahiptir. Sesin havada yayılması gibi bu dalgaların da beynin içinde fiziksel olarak yayılmaları gerçeği, onları bir yerden başka bir yere bilgi taşınması için potansiyel bir mekanizma haline getirir.
Bu fikirler onlarca yıldır varlığını sürdürmekte, fakat nörobilimciler tarafından pek ilgi görmemekteydi. Bu durumun muhtemel sebeplerinden biri yakın zamana kadar olan çalışmalarda, istisnaların olmasının yanı sıra, göçebe dalgaların, önemi ortaya konulmadan tarif edilmesiydi. Salk Biyoloji Araştırmaları Enstitüsü’nden Terry Sejnowski: “Ortalama bir sistem nörobilimcisine sorarsanız, bunun motorun sesi gibi, sonuç yaratmada etkisi olmayan bir olay olduğunu söyler” diyor ve ekliyor, “Ve hiçbir zaman hiçbir davranışa ve işleve doğrudan bağlı olmadığından, o kadar da önemli bir şey değil diye belirtir.”

Yeni ekipman, yeni fikir

Araştırmacıların kullandıkları aletler de bu noktada büyük rol oynamakta. Günümüzde nörobilim, iğneye benzeyen mikroelektrotlar kullanarak nöronların davranışını bir kerede incelemek üzerine kurulmuştu. Bu alandaki öncü araştırmacılar, bir nöron ateşlendiğinde, bunun zamanlamasının bir deneydeki denemeden bir diğerine farklılık gösterdiğini keşfettiler. Bu zamanlamanın çok da mühim olmadığına karar verip, ortalama “ateşlenme oranı” oluşturmak için çoklu denemelerden gelen yanıtları birleştirmeye başladılar ve nöral aktiviteyi ölçmenin standart yolu haline getirdiler. Ancak, değişkenlik nöronların salınım döngüleri içinde olmasından kaynaklanabileceğinden dolayı, uygulama göçebe dalgaları ortaya çıkarmak için ne kadar zaman gerektiği bilgisini göz ardı etmiş oldu. Sejnowski, “Kavramsal çerçeve tek bir nöronun kendi başına ne yaptığı üzerine gelişti. Fakat beyin, birbiriyle etkileşime giren nöron populasyonları ile çalışıyor” diyor. Göçebe dalgalar, beyne yayılan birçok nöronun aktivitesini kapsadığından, tek nöronu ele alan tekniklerde görünmesi pek de mümkün olmaz. Ancak son on yılda, birçok nöronun aynı anda izlenmesine olanak tanıyan yeni teknolojilerin ortaya çıkışı bu açıdan büyük bir gelişme oldu. Sejnowski: “Bu bize çok farklı bir bakış sağladı. İlk kez gerçekten neler olduğunu görebilmek için artık gerekli tekniklere ve araçlara sahibiz. Fakat, günümüzdeki nörobilim camiasının bunu kabul etmesi gerçekten uzunca bir zaman alacak gibi görünüyor” diye ekledi.

Optik yöntemler, tıpkı voltaja duyarlı boyalar gibi, araştırmacıların aynı anda binlerce nörondaki elektriksel değişimleri görselleştirmelerine izin verir. Yine de doğurabilecekleri riskler nedeniyle insanlar üzerinde kullanımından kaçınılmakta. Bunun yanı sıra, ECoG, epilepsi hastalarında nöbetleri araştırmak için yaygın olarak kullanılan bir teknik. Bu nedenle, yeni araştırmayı yürüten araştırmacılar, kafatasına yerleştirilmiş ECoG antenlerine sahip olan 77 epilepsi hastasını çalışmaya dahil edip, göçebe dalgaları aramaya başladı. Önce aynı frekansta salınım gösteren elektrot kümelerini araştırdılar. Tüm elektrotların üçte ikisi mevcut olan bu tür kümelerin bir parçasıydı ki, bu hastaların yüzde doksan altısını kapsamaktaydı (2-15 Hz arası frekanslarda, teta bandını 4-8 Hz’de ve alfa bandını 8-12 Hz’de kapsayan). Araştırmacılar, daha sonra salınımların zamanlamasını analiz ederek hangi kümelerin gerçekten göçebe dalgaları temsil ettiğini araştırdı. Eğer ardışık salınımlar göçebe bir dalganın parçası ise, her biri hareketin yönüne bağlı olarak biraz gecikmiş ya da önde olmalıydı (kalabalıkla oluşturulan dalgadaki insanların nasıl az bir gecikmeyle birbirini takip ettiğini düşünün, aynı onun gibi). Saptanan kümelerin üçte ikisi, korteksin arkasından ön tarafına doğru hareket eden göçebe dalgalardı. Bunlar tüm elektrotların yaklaşık yarısını içeriyordu ve hastaların beyinlerinin hem tüm loblarında hem de her iki küresinde meydana gelmişti.

“Göçebe” avı

Ekip daha sonra katılımcılara kısa süreli bir hafıza görevi verdi ve katılımcılardan bilgiyi hatırlamaları istendikten yarım saniye sonra ön ve temporal loblarındaki göçebe dalgaların daha organize hale geldiğini keşfettiler. Dalgalar çeşitli yönlerde hareket ederken, bir arada hareket etmeye başlamışlardı. En önemlisi, dalgaların bunu ne ölçüde yaptığı, katılımcıların verilen bilgiyi ne kadar çabuk bilgiyi hatırladıkları ile değişiklik gösterdi! Jacobs, “Daha tutarlı dalgalar daha iyi bir görev performansına karşılık gelmekte. Bu, beyin aktivitesini ölçmek için yeni bir yol ortaya koyuyor. Bu keşif belki de geliştirilebilecek yeni beyin-bilgisayar arayüzlerine (BBA) olanak tanıyabilir.” (BBA’lar, insan beynini yapay bir uzvu hareket ettirmek gibi belirli bir görevi yerine getiren makinelere bağlayan araçlardır.)
Bu bulgular, bazı araştırmacıların bu tür dalgaların önemi hakkında uzun süredir var olan şüphelerini gidermede büyük bir başarı sergileyecek gibi görünüyor. Belçika, Leuven Üniversitesi’nden David Alexander: “Bu makale, kortikal göçebe dalgaların çalışmasına ve bu dalgaların insan bilincindeki rolüne dair literatürde yapılmış çalışmalara çok önemli bir katkı sağlıyor. Bu, dalgaların kafatasından geçen sinyalin bulanıklaşması ya da geçen sinyalin bir yan ürünü olarak ortaya çıktığı gibi endişelere bir son veriyor” diyor. Ayrıca yazarların bulguların yeniliklerine dair anlamsız iddialarda bulunduklarını ve daha önceki bazı araştırmaları kabul etmediklerini söyleyerek ekliyor: “Göçebe dalgalar üzerinde yapılan bir önceki çalışma, dalgaların hafıza görevleri sırasında uyarıldığını gösteriyor.” Ayrca, bellek performansıyla ilişkilendirilen teta dalgalarının yönünün ters çevrilmesiyle ilgili olan 2002 tarihli bir EEG çalışmasına işaret ettiğini ekliyor. İlginçtir ki, 2008’de yayımlanan ve Alexander’ın da yer aldığı bir çalışmada, şizofreninin ilk ataklarını yaşamış kişiler sağlıklı bireylerle karşılaştırıldığında, önden arkaya doğru hareket eden daha az dalga saptandığını belirtiyor ve bu da, göçebe dalga davranışlarının psikiyatrik semptomlarla da bağlantılı olabileceğini ileri sürüyor. Alexander ayrıca, ekibin göçebe dalgaları değerlendirmek için kullandığı yöntemlerin 2016’da yapılan bir çalışmada kullanılan yöntemlere çokça benzediğini iddia ediyor. Jacob, “Alexander’ın çalışması gerçekten ilginç, fakat bulgularının makalemizde olanla aynı sinyalleri içerdiği kesin değil. Alexander, neredeyse beynin tamamını kapsayan örüntüleri rapor ederken, bizim bulgularımız beynin belirli bölgeleriyle kısıtlıydı” diye not düşüyor. Jacobs aynı zamanda kayıt tekniklerindeki ve kaydedilen sinyallerin doğasındaki farklılıklara da dikkat çekiyor.

Göçebe dalgaların önemini kabul etmek, nörobilimde yeni kapılar aralayacak gibi görünüyor. Jacobs: “Bu kadar geniş bir aralıkta salınım yapan göçebe dalgaların keşfi, onların farklı beyin bölgelerindeki aktivitelerin koordinasyonunda rol oynadığını gösteriyor. Çalışmamız, tam olarak bu koordinasyonun nelerden oluştuğunu anlamak gibi yeni araştırma alanlarının kapılarını açıyor” diyor ve dalgaların en azından mevcut çalışma bağlamında bilginin yayılımını gerçekleştirdiğini düşünüyor.

Başka bir fikir ise, kortekste tekrar tekrar hareket eden dalgaların, beynin görsel işlem alanı boyunca dikkat çeken bir “arama ışığını” çevrelemek için nöronların duyarlılığını değiştirdiğini savunmakta. Sejnowski: “Göçebe dalga kavramı, korteksi diğer girdilere azami derecede hassas olduğu ve en iyi şekilde işlev göreceği en etkin noktada nasıl tuttuğunuzla yakından bağlantılıdır. Göçebe dalgalara olan ilgi hiç kuşkusuz artmaya devam edecektir. Şu anda gördüğünüz şey, kavramsal bir sistemden tamamen yeni olan bir sisteme dönüşümdür” diyor.