Beyindeki görüş – eylemle tutarlı

Görmeye yönelik beyin devreleri, zebra balığı retinasından herhangi bir tür girdi olmadan gelişir

Hayvanların beyinlerinde, retinadan dış dünyayla ilgili sinyalleri alan ve uygun davranışı başlatarak yanıt veren özel nöron ağları bulunur. Max Planck Biyolojik Zeka Enstitüsü’ndeki araştırmacılar, zebra balığı üzerinde, gelişim boyunca retina ile beyin arasındaki tüm bağlantıları ortadan kaldıran bir genetik mutasyon üzerinde çalıştı. Ekip, bu “derin-kör” balıklardaki beyin devrelerinin tamamen işlevsel olduğunu, çünkü beynin optogenetik kullanılarak doğrudan uyarılmasının normal görsel davranışa yol açabileceğini buldu. Bu, zebra balığındaki beyin birleşiminin çok az görsel deneyim gerektirdiğini gösterir.

Zebra balığı da tıpkı insanlar gibi büyük ölçüde görme gücüne güvenir: Beynin büyük bir kısmı görsel bilgiyi işlemeye ayrılmıştır ve görme, hayvanın yiyecek bulması ve çevresinde gezinmesi için gereklidir. Tıpkı insan bebekleri gibi yavru zebra balığı da deneyimlerinden ders alır: tanıdık yiyecekleri tercih ederler ve onu buldukları yeri ezberlerler. Beyin hücreleri arasında yeni bağlantıların oluşmasının ve eski bağlantıların iyileştirilmesinin arkasında bu süreç yatmaktadır.

Max Planck Biyolojik Zeka Enstitüsü müdürü Herwig Baer, ​​”Beyin gelişimini incelediğimizde genellikle doğuştan gelen süreçler ile deneyime bağlı süreçler arasında ayrım yaparız” diye açıklıyor. “Örneğin görsel beyin alanlarındaki sinir devrelerinin bir araya gelmesi, klasik olarak deneyime bağlı bir süreç olarak kabul edilir: sinir ağlarının görsel girdiler ve sinirsel aktivite tarafından şekillendirildiği düşünülür.” Peki görsel bilgi ilk etapta orada değilse ne olur?

Bu soruyu cevaplamak için araştırmacılar, balık veya fare gibi hayvanların karanlıkta büyüdüklerinde nasıl geliştiklerini araştırdılar. Bu durumda beyin görsel deneyimden yoksun kalır, ancak gözler yine de beyne birçok sinyal göndermeye devam eder. Retina normalde gözün arkasına çarpan foton modellerini elektriksel uyarı modellerine dönüştürür ve bunlar daha sonra adı verilen uzun aksonlara sahip özel hücreler aracılığıyla beyne iletilir. Retina ganglion hücreleri. Retinal ganglion hücreleri beyne ulaşan görsel girdinin bekçileridir. Faaliyet kalıpları, hayvanların çevredeki görsel ortam hakkında sahip olduğu tüm bilgileri içerir. Ancak gözün beyinle iletişim kurmasının tek yolu bu değildir.

Gelişim sırasında retina ganglion hücreleri de kendi nöral aktivitelerini üretir. Bazen elektriksel aktivite dalgaları retinanın tüm yüzeyini tarayarak merkezi beyin bölgelerine ulaşır ve sinaptik bağlantıların ince ayarını yapar. Ayrıca retina ganglion hücresi aksonları, merkezi beyindeki hücreler tarafından alınan moleküler faktörleri salgılayarak gelişimsel değişiklikleri uyarır. Bu sinyallerin tümü beyin devrelerini şekillendirebilir. Ancak önceki çalışmalar bu faktörlerin etkilerini yalnızca ayrı ayrı incelemiş, örneğin körlüğün beyin gelişimini nasıl etkilediğini analiz etmişti.

Bu konuyu araştıran yeni bir çalışmanın baş yazarı Shashar Sherman, “Beyin gelişiminin nasıl gözlerden gelen uyarılara bağlı olduğunu gerçekten anlamak için, retina ganglion hücreleri denklemden çıkarıldığında ne olduğuna bakmak gerekir” diyor. Bunu yapmak için eski yüksek lisans öğrencisi V Herwig-Baer Departmanı Meslektaşları lakritis olarak bilinen bir zebra balığı mutasyonu üzerinde çalıştı. Bu mutasyonlar, retina ganglion hücrelerinin oluşmasını engelleyen genetik bir bozukluğa sahiptir. En önemlisi kusurların gözle sınırlı olmasıdır. Koyu renkleri olmasaydı – “Lakritz” meyan kökü anlamına gelen Almanca kelimedir – mutantları vahşi tip kardeşlerinden ayırmak mümkün olmazdı.

Herwig Baer şöyle açıklıyor: “Lacritz mutantı sadece kör değil, aynı zamanda son derece kördür. Beyninin görsel dünyayla ve retinadan alınan tüm sinyallerle bağlantısı tamamen kopmuştur. Bu benzersiz durum, retinal etkileşimin etkisini inceleme olanağını açmıştır.” Ganglion hücrelerinin beyin gelişimi ve davranışı üzerindeki sistematik ve kapsamlı bir şekilde etkisi.

Araştırmacılar genç Lacritz zebra balığı yetiştirdiler ve beyin gelişimlerini genetik kusuru olmayan zebra balığı ile karşılaştırdılar. A Sanal hücre atlası Bölümde geliştirilen zebra balığı beyni çalışması, bireysel hücrelerin tanımlanmasına ve gelişimlerinin izlenmesine yardımcı oldu. Shachar Sherman, “Sürpriz olarak pek bir fark göremedik” diyor. “Lacritz’de her tür nöron doğru yerde ve sayıda oluştu, yalnızca farklılaşma hızı biraz yavaştı.”

Lacritz zebra balığının beyinlerinin nispeten normal bir şekilde geliştiği göz önüne alındığında, araştırmacılar balığın normalde görme ile uyarılan davranışları hala gerçekleştirip gerçekleştiremediğini bilmek istediler. Bu tür iki davranışı incelediler: ava yönelme ve tipik olarak dış dünyanın imajını sabitlemek için kullanılan sözde okülomotor hareketler.

Shachar-Sherman, “Lacritz göremediği için normalde bu davranışları asla yapmazlar, ancak beyin devreleri hâlâ orada harekete geçmeyi bekliyor olabilir” diyor. Bunu test etmek için ekibi kullanın Optogenetik Genellikle ihtiyaç duyulduğunda aktif hale gelen beyin nöronlarını doğrudan aktive etmek. Optogenetik, sinir bilimcilerin canlı beyindeki nöronlara “ışık anahtarları” yerleştirmesine olanak tanıyan bir teknolojidir. Bu şekilde, nöronları dışarıdan ışıkla uyarmanın yollarını bulmaları koşuluyla, nöronal aktiviteyi uzaktan kontrol edebilirler; bu, küçük boyutları ve şeffaflığı nedeniyle zebra balığı için kolay bir görevdir. Shachar-Sherman, “Lacritz’in yapay uyaranlara sanki gerçekten bir av nesnesi görmüş gibi tepki vermesi dikkat çekicidir” diye anımsıyor. “Bu bize, bu eylemler için gereken beyin devrelerinin, gözlerden hiçbir girdi olmasa bile düzgün bir şekilde geliştiğini ve çalıştığını gösteriyor.”

Hepsi birlikte ele alındığında, Bayer departmanının son araştırmaları beyin gelişiminin önceden düşünülenden daha fazla birbirine bağlı olduğunu gösteriyor. Herwig-Baer, ​​”Shachar’ın çalışması, düzinelerce hücre tipini içeren omurgalı beyninin karmaşık bir bölümünün duyusal girdi olmadan da iyi bir şekilde gelişebileceğini gösteriyor” diyor. “Bu, beyni inşa etmek için genetik olarak programlanmış algoritmaların gücünü vurguluyor. Eğer bu zebra balıklarında işe yarıyorsa neden daha büyük hayvanlarda da işe yaramasın?”

Gelecekteki çalışmalar, hayvanlar alemindeki duyu sistemlerinin evriminin ne kadar güçlü bir şekilde dışarıdan gelen girdilere bağlı olduğunu açıklığa kavuşturacak; Gözler ve görsel beyin alanları sadece bir örnektir. Bu süreçler hakkında ne kadar çok şey bilirsek, “Doğa nedir ve yetiştirme nedir?” felsefi sorusunu yanıtlamaya o kadar yaklaşırız. -Ya da başka bir deyişle beyin bağlantılarımız ne kadar doğuştandır ve otobiyografimize ne kadar bağlıdır. Şimdilik, en azından zebra balığının görsel sisteminde doğa kazanıyor gibi görünüyor.