Bir Yeri Düşünmek Bile Beynimizdeki Zihinsel Haritaları Harekete Geçiriyor

MIT sinir bilimcileri, ister fiziksel ister zihinsel olarak uzayda gezinirken beynin aynı bilişsel temsilleri kullandığını buldu. Bu bulgu, beynin mekansal navigasyon sırasında benzer bilişsel süreçleri kullandığını gösteriyor. Bu, hem fiziksel olarak bir ortamda gezinirken hem de zihinsel olarak bir harita üzerinde gezinirken beynin aynı nöral ağları kullandığı anlamına geliyor.

"Just thinking about a location activates mental maps in the brain" by Anne Trafton | MIT News

MIT'nin yaptığı bir araştırmaya göre, fiziksel hareket veya duyusal girdi olmadan sadece deneyim dizilerini düşündüğümüzde bile bu zihinsel haritalar etkinleşiyor. Bu haritalar, hipokampus ve entorhinal kortekste depolanan bilişsel haritalardır ve zihinsel simülasyon ve hayal gücünün hücresel temelini oluşturur.

İşe ya da markete gitmek için her zamanki rotanızda ilerlerken beyniniz, hipokampus ve entorhinal korteksinizde depolanan bilişsel haritaları devreye sokar. Bu haritalar, gittiğiniz yollar ve daha önce ziyaret ettiğiniz yerler hakkındaki bilgileri saklar, böylece her seferinde kolayca gezinebilirsiniz.

MIT'nin yeni araştırması, zihinsel haritaların herhangi bir fiziksel hareket veya duyusal girdi olmadan, yalnızca deneyim dizilerini düşündüğünüzde de yaratıldığını ve etkinleştirildiğini buldu. Hayvanlar üzerinde yapılan bir çalışmada, araştırmacılar entorhinal korteksin, hayvanların bir dizi görüntüye göz atmak için joystick kullanırken yaşadıkları deneyimlerin bilişsel bir haritasını barındırdığını keşfetti. Bu bilişsel haritalar, görüntüler görünür olmasa bile bu diziler hakkında düşünürken etkinleştiriliyor.

Bu, entorhinal korteksteki bilişsel bir haritanın aktivasyonu yoluyla uzaysal olmayan bir alanda zihinsel simülasyon ve hayal gücünün hücresel temelini gösteren ilk çalışmadır.

Bu bilişsel haritalar, herhangi bir duyusal girdi veya motor çıktı olmadan zihinsel navigasyonu gerçekleştirmek için kullanılıyor. MIT’nin McGovern Beyin Araştırma Enstitüsü üyesi ve beyin ve bilişsel bilimler alanında doçent olan Mehrdad Jazayeri, “Hayvanın zihinsel olarak bu deneyimleri yaşadığını gösteren bu haritanın bir imzasını görebiliyoruz” diyor.

McGovern Enstitüsü Araştırma Bilimcisi, Sujaya Neupane, bugün Nature'da yayınlanan makalenin baş yazarıdır. MIT'de beyin ve bilişsel bilimler profesörü, MIT'in McGovern Beyin Araştırmaları Enstitüsü üyesi ve K. Lisa Yang Bütünleştirici Hesaplamalı Sinirbilim Merkezi'nin yöneticisi olan Ila Fiete de makalenin yazarıdır.

Zihinsel Haritalar

Hayvan modelleri ve insanlarda yapılan birçok çalışma, fiziksel konumların temsillerinin, denizatı şeklindeki küçük bir yapı olan hipokampusta ve yakındaki entorhinal kortekste depolandığını göstermiştir. Bu temsiller, bir hayvan daha önce bulunduğu bir mekanda hareket ettiğinde, o mekanı geçmeden hemen önce veya uykudayken etkinleşir.

Jazayeri, "Önceki çalışmaların çoğu, bir hayvan fiziksel olarak uzayda hareket ederken bu alanların çevrenin yapılarını ve ayrıntılarını nasıl yansıttığına odaklanmıştı," diyor ve ekliyor, "Bir hayvan bir odada hareket ettiğinde, duyusal deneyimleri hipokampus ve entorhinal korteksteki nöronların aktivitesi tarafından güzel bir şekilde kodlanır."

Yeni çalışmada Jazayeri ve meslektaşları, bu bilişsel haritaların aynı zamanda inşa edilip edilmediğini ve daha sonra tamamen zihinsel geçişler sırasında veya uzamsal olmayan alanlar boyunca hareketin hayal edilmesi sırasında kullanılıp kullanılmadığını araştırmak istediler.

Bu olasılığı araştırmak için araştırmacılar, hayvanları düzenli aralıklarla yerleştirilmiş bir dizi görüntü ("yer işaretleri") boyunca bir yolu takip etmek için joystick kullanma konusunda eğitti. Eğitim sırasında hayvanlara yalnızca görüntü çiftlerinin bir alt kümesi gösterildi, ancak tüm çiftler gösterilmedi. Hayvanlar eğitim çiftleri arasında gezinmeyi öğrendikten sonra, araştırmacılar hayvanların daha önce hiç görmedikleri yeni çiftlerle başa çıkıp çıkamayacağını test etti.

Bir olasılık, hayvanların dizinin bilişsel haritasını öğrenmemesi ve bunun yerine görevi bir ezberleme stratejisi kullanarak çözmesidir. Eğer öyleyse, yeni çiftlerle mücadele etmeleri beklenir. Bunun yerine, eğer hayvanlar bilişsel bir haritaya güvenecek olsaydı, bilgilerini yeni çiftlere genelleyebilmeleri gerekirdi.

Jazayeri, “Sonuçlar kesindi” diyor ve ekliyor, “Hayvanlar, test edildikleri ilk andan itibaren yeni görüntü çiftleri arasında zihinsel olarak gezinebildiler. Bu bulgu, bilişsel bir haritanın varlığına dair güçlü davranışsal kanıtlar sağladı. Peki beyin böyle bir haritayı nasıl oluşturuyor?”

Araştırmacılar, bu soruyu yanıtlamak için hayvanlar bu görevi gerçekleştirirken entorhinal korteksteki tek nöronlardan kayıt yaptılar. Nöral tepkilerin çarpıcı bir özelliği vardı: Hayvanlar iki yer işareti arasında gezinmek için joystick’i kullanırken, nöronlar araya giren yer işaretlerinin zihinsel temsiliyle ilişkili belirgin aktivite artışları gösterdi.

Jazayeri, "Beyin, araya giren görüntülerin hayvanın gözünden geçeceği beklenen zamanda, bu aktivite dalgalanmalarından geçiyor, ki bunu asla yapmadılar." diyor ve devamında, "Ve bu çarpmalar arasındaki zamanlama, kritik olarak, hayvanın bu çarpmaların her birine ulaşmasını beklediği zamanlamaydı; bu durumda bu süre 0,65 saniyeydi." diye ekliyor.

Araştırmacılar, zihinsel simülasyon hızının hayvanların görev performansıyla ilişkili olduğunu gösterdi: Görevi biraz geç veya erken tamamladıklarında, beyin aktiviteleri zamanlamada buna karşılık gelen bir değişiklik gösterdi. Ayrıca, entorhinal korteksteki zihinsel temsillerin, görüntülerin belirli görsel özelliklerini değil, yer işaretlerinin sıralı düzenlemesini kodladığına dair kanıtlar buldular.

Bir Öğrenme Modeli

Araştırmacılar, bilişsel haritaların nasıl çalıştığını daha iyi anlamak için, beyin aktivitesini taklit eden ve bunun nasıl oluşturulabileceğini gösteren bir hesaplamalı model geliştirdiler. Bu model, sürekli çekici modeli olarak bilinir ve başlangıçta entorhinal korteksin, bir hayvan hareket ederken duyusal girdiye dayalı olarak konumunu nasıl takip ettiğini modellemek için geliştirilmiştir.

Araştırmacılar, duyusal girdilerle oluşturulan aktivite modellerini öğrenebilen bir bileşen ekleyerek modeli özelleştirdiler. Bu model, duyusal girdi olmadığında bu deneyimleri yeniden yapılandırmak için bu kalıpları kullanmayı öğrenebildi.

“Eklememiz gereken temel unsur, bu sistemin duyusal girdilerle iletişim kurarak çift yönlü öğrenme kapasitesine sahip olmasıdır. Modelin geçirdiği ilişkisel öğrenme sayesinde aslında bu duyusal deneyimleri yeniden yaratacak” diyor Jazayeri.

Araştırmacılar şimdi, yer işaretlerinin eşit aralıklı olmaması veya halka şeklinde düzenlenmesi durumunda beyinde ne olacağını araştırmayı planlıyor. Ayrıca hayvanlar navigasyon görevini yerine getirmeyi öğrenirken hipokampus ve entorhinal korteksteki beyin aktivitesini kaydetmeyi de umuyorlar.

Jazayeri, “Yapının hafızasının zihinde kristalleştiğini ve bunun ortaya çıkan sinirsel aktiviteye nasıl yol açtığını görmek, öğrenmenin nasıl gerçekleştiğini anlamak için gerçekten değerli bir yoldur.” diyor.

Araştırma, Kanada Doğa Bilimleri ve Mühendislik Araştırma Konseyi, Québec Araştırma Fonları, Ulusal Sağlık Enstitüleri ve Paul ve Lilah Newton Beyin Bilimi Ödülü tarafından finanse edilmiştir.

Anne Trafton | MIT News