Düşüncelerimiz bilgimiz ve planlarımız tarafından şekillendirilir, ancak bilişsel süreçlerimiz de yeni bilgileri işleme konusunda hızlı ve esnek olabilir. Bilişsel süreçlerin bu kadar iyi kontrol edilen ve aynı zamanda son derece çevik doğası, milyarlarca nöron ve devreden oluşan beyin anatomisinden nasıl ortaya çıkar?
MIT'deki Picower Öğrenme ve Bellek Enstitüsü'ndeki araştırmacılar tarafından yapılan bir çalışma , hayvanlar üzerinde yapılan testlerden elde edilen yeni kanıtlarla, cevabın "mekansal hesaplama" adı verilen bir teori içinde bulunabileceğini ortaya koyuyor.
İlk olarak 2023 yılında Picower Üniversitesi Profesörü Earl K. Miller ve meslektaşları Mikael Lundqvist ve Pawel Herman tarafından ortaya atılan uzamsal hesaplama teorisi, prefrontal korteksteki nöronların, bilişsel bir görevin gerektirdiği bilgi işlemeyi gerçekleştirebilen işlevsel bir gruba nasıl anında organize edilebileceğini açıklar. Dahası, yıllarca süren deneyler birçok prefrontal nöronun aynı anda birden fazla göreve katılabildiğini gösterdiğinden, nöronların bu tür birden fazla gruba katılmasına da olanak tanır.
Teorinin temel fikri, beynin, ön frontal korteksin fiziksel bölgelerine kontrol sinyalleri uygulamak için "alfa" ve "beta" frekanslı beyin dalgalarını (yaklaşık 10-30 Hz) kullanarak, nöronlardan oluşan geçici "görev güçleri" oluşturması ve organize etmesidir. Her yeni görev yapılması gerektiğinde kendilerini yeni fiziksel devrelere yeniden bağlamak yerine, bölgedeki nöronlar, dalgaların dayattığı uyarım ve inhibisyon kalıplarını izleyerek bilgiyi işlerler.
Miller'a göre, alfa ve beta frekans dalgalarını, prefrontal kortekste nöron gruplarının duyulardan gelen bilgileri ne zaman ve nerede alabileceğini veya ifade edebileceğini şekillendiren şablonlar olarak düşünün. Bu şekilde, dalgalar görevin kurallarını temsil eder ve nöronların görev için gerekli bilgi içeriğini işlemek üzere elektriksel olarak nasıl "sinyal göndereceğini" organize edebilir.
MIT Beyin ve Bilişsel Bilimler Bölümü öğretim üyesi ve Current Biology dergisinde yayınlanan makalenin kıdemli yazarı Miller, "Biliş, büyük ölçekli sinirsel öz-organizasyonla ilgilidir," diyor. "Uzamsal hesaplama, beynin bunu nasıl yaptığını açıklıyor."
Beş tahmini test etme
Bir teori sadece bir fikirdir. Çalışmada, baş yazar Zhen Chen ve Miller'ın laboratuvarının diğer mevcut ve eski üyeleri, uzamsal hesaplamanın sinirsel aktivite ve beyin dalgası örüntüleri hakkında yaptığı beş tahminin, hayvanların iki çalışma belleği ve bir kategorizasyon görevine katılırken prefrontal kortekslerinde yapılan ölçümlerde gerçekten belirgin olup olmadığını inceleyerek uzamsal hesaplamayı test ettiler. Görevler boyunca işlenecek farklı duyusal bilgiler (örneğin, "Ekranda mavi bir kare belirdi, ardından yeşil bir üçgen belirdi") ve izlenecek kurallar (örneğin, "Ekranda yeni şekiller belirdiğinde, daha önce gördüğüm şekillerle eşleşiyorlar mı ve aynı sırada mı görünüyorlar?") vardı.
İlk iki tahmin, alfa ve beta dalgalarının görev kontrollerini ve kurallarını temsil etmesi, nöronların ani aktivitesinin ise duyusal girdileri temsil etmesi gerektiği yönündeydi. Araştırmacılar, kortekse yerleştirilen dört elektrot dizisi tarafından toplanan beyin dalgası ve ani aktivite okumalarını analiz ettiklerinde, bu tahminlerin gerçekten doğru olduğunu buldular. Alfa/beta dalgaları değil, nöronal ani aktivite duyusal bilgiyi taşıyordu. Hem ani aktivite hem de alfa/beta dalgaları görev bilgisini taşırken, bu bilgi dalgalarda en güçlüydü ve görevleri yerine getirmek için kurallara ihtiyaç duyulduğu zamanlarla ilgili olarak zirveye ulaşıyordu.
Özellikle kategorizasyon görevinde, araştırmacılar kategorizasyonun bilişsel olarak daha zor veya daha kolay olmasını sağlamak için soyutlama düzeyini kasıtlı olarak değiştirdiler. Araştırmacılar, zorluk arttıkça alfa/beta dalga gücünün de arttığını ve bunun da görev kurallarını taşıdığını gösterdi.
Sonraki iki tahmin ise alfa/beta dalgalarının uzamsal olarak organize olacağı ve güçlü olduğu yerlerde ve zamanlarda, nöronal aktiviteyle temsil edilen duyusal bilginin bastırılacağı, ancak zayıf olduğu yerlerde ve zamanlarda nöronal aktivitenin artacağı yönündeydi. Bu tahminler verilerde de doğru çıktı. Elektrotların altında, Chen, Miller ve ekip, daha yüksek veya daha düşük dalga gücünün belirgin uzamsal modellerini görebildiler ve güç yüksek olduğunda, nöronal aktivitedeki duyusal bilgi düşüktü ve bunun tersi de geçerliydi.
Son olarak, araştırmacılar, eğer mekansal hesaplama geçerliyse, deneme deneme alfa/beta gücü ve zamanlamasının hayvanların performansıyla doğru bir şekilde korelasyon göstermesi gerektiğini öngördüler. Gerçekten de, hayvanların görevleri doğru bir şekilde gerçekleştirdiği denemelerdeki sinyaller ile hata yaptıkları denemelerdeki sinyaller arasında önemli farklılıklar vardı. Özellikle, ölçümler, görev kurallarını karıştırmaktan kaynaklanan hataları, duyusal bilgilerden kaynaklanan hatalardan daha iyi tahmin etti. Örneğin, alfa/beta tutarsızlıkları, bireysel uyaranların kimliğinden (kare veya üçgen) ziyade, uyaranların görünme sırasıyla (önce kare sonra üçgen) ilgiliydi.
İnsanlarda elde edilen bulgularla uyumlu
Araştırmacılar, hayvanlar üzerinde yaptıkları bu çalışma sayesinde, bireysel nöral sinyallerin yanı sıra beyin dalgalarının da doğrudan ölçümlerini yapabildiler ve makalede, insanlarda yapılan diğer çalışmaların da benzer bulgular bildirdiğini belirtiyorlar. Örneğin, invaziv olmayan EEG ve MEG beyin dalgası okumalarını kullanan çalışmalar, insanların alfa salınımlarını, yukarıdan aşağıya kontrol altında, görevle ilgisiz alanlardaki aktiviteyi engellemek için kullandığını ve alfa salınımlarının prefrontal korteksteki görevle ilgili aktiviteyi yönettiğini göstermektedir.
Miller, yeni çalışmanın sonuçlarını ve bunların insan çalışmalarıyla kesişimini cesaret verici bulduğunu söylese de, daha fazla kanıta ihtiyaç duyulduğunu kabul ediyor. Örneğin, laboratuvarı beyin dalgalarının tipik olarak sabit (ip atlama gibi) olmadığını, beynin farklı bölgeleri arasında hareket ettiğini göstermiştir. Ona göre, uzamsal hesaplama bunu açıklayabilir.
Makalenin diğer yazarları arasında Chen ve Miller'ın yanı sıra Scott Brincat, Mikael Lundqvist, Roman Loonis ve Melissa Warden yer alıyor.
Çalışma, ABD Deniz Kuvvetleri Araştırma Ofisi, Freedom Together Vakfı ve Picower Öğrenme ve Hafıza Enstitüsü tarafından finanse edildi.
