Dans eden nöronlar: Hareketin sırlarını açığa çıkarmak

Zebra balığı beyni, insandaki muadilinden daha basit olsa da durmaksızın elektriksel aktivite dansı yapan karmaşık bir nöron ağıdır. Ya bu sinirsel bale, bizimki de dahil olmak üzere beyinlerin hareketi nasıl kontrol ettiğinin sırlarını ortaya çıkarabilirse?

Champalimaud Vakfı araştırmacıları tarafından yürütülen bir zebra balığı çalışması, nöral popülasyonların aktivitesini görmek ve beynin hareketi nasıl düzenlediğini anlamak için yeni bir mercek sunuyor.

Sinirbilimin gözbebekleri: zebra balıkları

Minik şeffaf vücutlarıyla zebra balıkları, beyin fonksiyonlarına eşsiz bir pencere sunarak sinirbilimin gözbebekleri haline geldi. Çalışmanın yazarlarından Dr. Feierstein, “Göz hareketi, insanlar da dahil olmak üzere türler arasında korunan bir devredir”.

“Eğer bu hareketin, zebra balığında nasıl çalıştığını anlayabilirsek, insan beyninin nasıl hareket ettiğini daha iyi anlamaya başlayabiliriz”. Zebra balıkları da insanlar gibi, harekete tepki olarak görüşlerini ve konumlarını sabitlemek için doğuştan gelen bir yeteneğe sahiptir. Etraflarındaki dünya döndüğünde, gözleri ve vücutları dengeyi korumak için birlikte hareket eder. Bu, atlıkarıncadayken bakışlarımızı sabit bir noktaya sabitlememize benzer.

Beyin bu davranışı nasıl koordine ediyor?

Dr. Feierstein, “Nöronların görsel uyaranları tespit etmek ve kasları kontrol etmekle ilgili olduğunu bilsek de aradaki işlemler hakkında karanlıkta kalıyoruz” diyor. Nöronların yanıt verdiği uyaranların çokluğu ve tüm beyin görüntüleme çalışmalarıyla elde edilen şaşırtıcı miktardaki veri, işleri karmaşıklaştırıyor.”

Araştırmanın iki kıdemli yazarından biri olan Michael Orger şöyle açıklıyor: “Tek tek nöronların faaliyetlerine baktığınızda, birden fazla davranışsal değişkene yanıt verebildiklerini görüyorsunuz. Bu da nöronlar ve davranışlar arasında karmaşık bir etkileşime yol açıyor; tek tek nöronlar birden fazla hareket türüne dahil olabiliyor.”

Yeni bir analitik yaklaşım

Araştırmacılar, nöronları tek tek incelemenin genel resmin net bir şekilde anlaşılmasını sağlamadığını kısa sürede fark ettiler. Bu, yüzlerce dansçının yer aldığı büyük ölçekli bir dans gösterisini sadece bir dansçının hareketlerini izleyerek anlamaya çalışmak gibiydi.

Dr. Feierstein, “Tek tek nöronlara bakarak başladık ama kısa süre sonra nöron topluluğunu, yani tüm dans grubunu anlamamız gerektiğini fark ettik” diyor.

“Bu nedenle, nöron popülasyonunun ne yaptığına dair yakınlaştırılmış bir görünüm elde etmek için analizimize ‘boyutsallık azaltma’ olarak bilinen bir adımı dahil ettik”.

Çalışmanın diğer kıdemli yazarı Christian Machens’in de belirttiği gibi, “Bilmek istediğimiz şuydu: Ölçtüğümüz genel aktivite davranışla nasıl ilişkilidir? On binlerce nöronun aktivitesini temel özelliklerine nasıl indirgeyebiliriz?

“Bunun için analitik bir yaklaşım geliştirmek oldukça zaman aldı. Ancak bu zorlukların üstesinden gelmeyi başardığımızda nihayet şu soruyu sorabildik: Bu nöronların genel aktivitesi göz hareketi veya yüzme gibi belirli davranışlarla nasıl ilişkilidir?”.

Çalışmada zebra balıkları, araştırmacıların beyni görüntüleyebilmeleri için sabit bir konumda tutmak amacıyla jel benzeri bir madde içine gömüldü. Harekete izin vermek için gözlerinin ve kuyruklarının yakınındaki jel çıkarıldı. Feierstein, “Daha sonra görüntüleri zebra balığının altındaki bir ekrana koyduk ve bir mikroskop aracılığıyla floresan bir boya ile beyin aktivitesini kaydettik” diyor.

Beynin koreografisini ortaya çıkarmak

Analitik yaklaşımlarını zebra balığı beyninin arka beyin adı verilen bir bölgesine uygulayan araştırmacılar, nöronal aktivitenin karmaşıklığını, belirli hareket türlerine karşılık gelen ve muhtemelen zebra balığı arka beynindeki ayrı devreler tarafından üretilen iki ana ‘özellik’ veya aktivite modeline yoğunlaştırabildiler.

Buldukları ilk devre öncelikle göz hareketleriyle, özellikle de gözlerin saat yönünde ya da saat yönünün tersine dönmesiyle ilgilidir. Çevresinde dönen bir şey gören bir balık hayal edin. Dönen bu nesneyi sabit bir şekilde görebilmek için balığın gözleri de döner ve kuyruğu hareket edebilir.

Esasen bu devre, balığın gördüğü şeyin sabit ve istikrarlı bir görüntüsünü korumak için gözlerini ayarlamasına yardımcı olur.

Feierstein’ın açıkladığı gibi, “Bu, beynin ‘Tamam, dünya etrafımda dönüyor, bunu takip etmek için gözlerimi hareket ettirmem gerekiyor’ deme şekli gibi”. Dahası, araştırmacılar sola ve sağa dönüşle ilişkili nöronların sırasıyla beynin sol ve sağ yarım kürelerinde anatomik olarak ayrıldığını keşfetti.

İkinci devre ise araştırmacıların ‘vergence’ ve kuyruk hareketi olarak adlandırdıkları şeyle daha fazla ilgilidir. Vergence, uyaranlara yanıt olarak gözlerin zıt yönlerde hareket etme yeteneğidir. Her iki göz de buruna doğru veya burundan uzaklaşır. Bu devre, balık arkadan öne doğru hareket eden bir uyaran algıladığında devreye girer.

Geriye doğru sürüklendiğini hisseden balık, konumunu sabitlemek için ileri doğru yüzer. Aynı zamanda, sabit bir görüntüyü korumak için gözleri birleşir. Sonuç olarak, bu devre balığın sabit bir pozisyonda kalmak için vücut ve göz hareketlerini ayarlamasına yardımcı olur.

Orger’in özetlediği gibi, “Bir beyin devresi öncelikle retinada sabit bir görüntü sağlamak için göz hareketleri, özellikle de dönme ile ilgilidir. Diğer devre ise çoğunlukla görsel uyaranlara yanıt olarak çevrede sabit bir pozisyonu korumak için vücut hareketleri, özellikle de yüzme ile ilgilidir.

“Bu devreler, balıkların çevrelerindeki değişikliklere uyum sağlamalarına yardımcı olarak sabit bir görüş ve konum sağlamalarına olanak tanıyor. Kesin mekanizmalar hala tam olarak açık olmasa da, çalışma beyindeki ayrı devrelerin farklı hareket türlerini nasıl kontrol ettiğine dair değerli bilgiler sağlıyor” dedi.

Her bir zebra balığında aynı

“Bu devreleri her bir balıkta tutarlı bir şekilde bulduk” diye belirtiyor. Çalışma, bu devrelerin ne tamamen duyusal ne de tamamen motor olduğunu, ancak muhtemelen duyusal bilgileri motor eylemlere çeviren ikisinin arasında bir yerde bulunduğunu öne sürüyor. Özünde araştırmacılar, balığın çevresiyle etkili bir şekilde etkileşime girmesine yardımcı olmak için her biri kendi hareketlerini yönlendiren iki farklı “koreograf” bulmuş olabilirler.

KAYNAKÇA:
– Neuroscience News (8.9.2023). Dancing Neurons: Unlocking the Secrets of Movement.
– Feierstein, C. E., de Goeij, M. H., Ostrovsky, A. D., Laborde, A., Portugues, R., Orger, M. B., & Machens, C. K. (2023). Dimensionality reduction reveals separate translation and rotation populations in the zebrafish hindbrain. bioRxiv, 2023-03.