Beyin Uyarımı: Yeni Bir Öğrenme Yöntemi Mi Doğuyor?

Sabahın köründe elinizi kaldırıp bir fincan kafeye uzanmaya karar verdiğinizde beyninizde neler oluyor? İlk olarak, beyninizin arka pariyetal korteksi fincanın şekli ve yeriyle ilgili bilgileri alıyor. Daha sonra fincanın görsel ve uzayda kapladığı yere ilişkin bilgileri premotor kortekse iletiliyor. Bu bölge frontal lobta (ön lobda) bulunuyor ve fincana ulaşmak için elin nasıl hareket etmesi gerektiğinin kararı burada veriliyor.

Bir fincan kahveye ulaşmak için gerekli ilk faktör fincanı gözünüzde canlandırma yeteneğiniz ya da kahve kokusunu almanız. Ne yazık ki, inme ya da kanser gibi bazı patolojik durumlar duyusal bilgileri (görüş, koku) alma yeteneğinin kaybolmasıyla sonuçlanıyor.

Bilim insanları, çevremizi öğrenmek veya dünyadaki konumumuzu belirlemek için duyusal girdilere muhtaç olma halimizi aşmanın yollarını arıyorlar. Yakın zamanda Rochester Üniversitesi’nden Kevin Mazurek ve Marc Schieber Neuron dergisinde yeni bir çalışma yayınladılar. Çalışmada maymunlar belirli bir aksiyonu duyusal girdilere muhtaç olmadan, sadece elektriksel beyin stimülasyonu yapılarak öğrenebiliyordu.

Deney düzeneği, farklı şekillerde dört kola (A-D olarak etiketlenmiş) sahip bir panel içeriyordu. Her kol görsel olarak işaretli LED ışıkları ile çerçevelenmişti. Maymunlar öncelikle bu görsel işaretlere cevap vermek için eğitildiler. Bir kolu çevreleyen ışıklar açıksa, maymunlar ödülü almak için o kolu kavramak ve uygun şekilde oynatmak zorundaydı. Her kolun çalışma mekanizması da farklıydı. Örneğin, küre şekilli bir sapın döndürülmesi gerekiyor, T şeklindeki bir kolun ise çekilmesi gerekiyordu.

Maymunlar bu eğitimde ustalaştıktan hemen sonra, araştırmacılar her bir maymunun premotor korteksine 16 elektroddan oluşan bir aksam yerleştirdiler. Bu elektrotlar aracılığıyla maymunlar belirlenen görevi yerine getirirken o süreçteki elektriksel uyarılar premotor kortekse aktarıldı. İlk olarak, her görsel işarete senkronize, oynatılması gereken kola özgü elektriksel uyarılar eşlik ediyordu. Bu elektriksel uyarıların frekansı ve süresi kesin olarak belirlenmişti. Daha sonra araştırmacılar yavaş yavaş LED işaretlerin parlaklığını azalttı ve en sonunda tamamen söndürdü. Tahmin edildiği gibi, maymunların performansı biraz azaldı, çünkü artık ittirmek için kullandıkları kollara cevap verebilecekleri görsel işaretler yoktu.

Buna rağmen, aynı görevin çok sayıda tekrarından sonra, maymunlar beyinlerine verilen her elektriksel uyarımı belirli bir davranış modeli ile ilişkilendirmeyi öğrenmişlerdi. Böylece sonuçta doğru kolu seçmek ve doğru bir şekilde ittirmek için görsel ipucu kullanmaları gerekmedi. Gerçekten de maymunlar, LED ışığı olmadığında da elektrotlardan beyinlerine gelen elektrik sinyallerine cevap vererek, yani duyusal görsel işareti atlayarak beklenen eylemi yapma eğilimindeydiler.

Deneyin devamında araştırmacılar maymunlarda eğitim sürecini yeniden başlattılar. Bu sefer her bir kola farklı bir elektrot seti atadılar. Örneğin, önceden elektrot 1 ile uyarılmaya B kolunun ittirilmesi eşlik etmesi gerekiyorsa, araştırmacılar bu kez maymunların beyinlerini elektrot 1 ile gelen uyarıların D kolunun hareket ettirmesi yönünde uyardı. Garip bir şekilde, maymunlar oyunu hala yüksek performansla oynayabiliyordu. Bu deney maymunların beyin uyarımı ile öğrenebildiklerini gösterdi.

Daha önceki çalışmalar insanlar da dahil olmak üzere primatlarda, beynin duyusal alanlarına verilen elektriksel sinyallerin belirli motor hareketlere neden olduğunu göstermişti. Ancak Mazurek ve Schieber, teorik olarak herhangi bir kas hareketine sebep olmayan 200ms’lik bir elektriksel uyarının, istenen hareketi yapması için maymunu zorlayabildiğini gösterdiler.

Bu çalışmanın asıl önemi araştırmacıların duyusal bölgeleri gerçekte uyarmamasından kaynaklanıyor. Araştırmacılar bunun yerine premotor korteksi doğrudan uyararak görsel, işitsel ve sensomotor korteksleri by pass etmeyi denediler ve başardılar.

Bir kez daha bir fincan kahveyi düşünün. Kupayı tutmak için her karar verişinizde kupanın şeklini ve yerini kavramak için gözünüze güvenmeniz gerekir. Böylece onu kavramaya en uygun hareketi yapmak için karar verebilirsiniz. Gözleriniz kapalıyken kupaya ulaşma ve onu tutma konusunda kendinize bir meydan okursanız, hala işitme gücünüze güvenebilir ve arkadaşınızın bardağın şeklini ve yerini tam olarak söylemesini isteyebilirsiniz.

Daha ileri teknolojik bir senaryoda, premotor korteksin bazı kısımlarını uyaran ve herhangi bir dış görsel veya işitsel işarete dayanmadan sizin bardağın şeklini ve yerini kavramanızı sağlayan bir beyin implantına güvenmek isteyebilirsiniz.

Nöroprostetikler duyusal organların uyarılmasına dayanır. Bu çalışmadan çıkan sonuçlar yeni yöntemlerin kapısını açıyor. Bu durum beynin duyusal bölgeleri felç olmuş inme hastaları için özellikle önemli. Bu hastalarda hasar gören beyin bölgeleri, dış duyusal sinyalleri doğru şekilde alma ve anlamayı engeller. Mevcut araştırmalar sayesinde, gerekli komutların premotor kortekse doğrudan iletilmesi yoluyla hasarlı alanların nasıl atlanacağı konusunda daha iyi fikirlere sahibiz. Gerçekten de, uyarının premotor kortekse doğrudan iletilmesi, bu hastaların beyinlerindeki iletişime kapalı bölgeleri potansiyel olarak bağlayabilir. Premotor korteksin doğrudan uyarılması, hastaların günlük hayatında çok önemli olan hareketleri yeniden öğrenmelerine yardımcı olabilir.

Böyle bir elektriksel uyarının, nasıl olup da uygun karar vermeyi sağlayabilen bir algı üreteceği şimdilik yanıtsız. Araştırmacıların maymunlara, beyinlerinde veya onları doğru hareketi yapmaya zorlayan neresiyse orada, ne hissettiklerini sorma şansları yoktu.

Bu onların beyinlerinin, kendi iradeleri olmadan verdikleri bilinçsiz bir kararı olabilir mi?

Çeviren: Şeref Karabulut

Yazı ilk olarak 4 Nisan 2018 tarihinde Knowing Neurons sitesinde İngilizce olarak yayınlanmış olup NöroBlog’un Knowing Neurons ile gerçekleştirdiği işbirliği ile Türkçe diline çevrilmiş ve yayınlanmıştır.

Akıllı İlaçlarla Beyninizi Hackleyebilir Misiniz?

Anasayfamızdan daha fazla sinirbilim yazısına ulaşabilir, podcast ve videolarımıza erişebilirsiniz.