Hakan Atalay
Latest Post
Beyinde duyularımızı körelten bir ‘düşük güç modu’ var
Telefonlarımız ve bilgisayarlarımızın şarjı bittiğinde, parlayan ekranları kararıyor ve bir nevi dijital ölüm yaşıyorlar. Ancak enerji tasarrufu için düşük güç moduna geçtiklerinde, pilleri yeniden şarj olana kadar temel işlemlerin sorunsuz bir şekilde devam etmesini sağlamak için gereksiz işlemleri kesiyorlar.
Enerji yoğun beynimizin de ışıklarını açık tutması gerekiyor. Beyin hücreleri öncelikle glikoz şekerinin sürekli akışına bağımlıdır, çünkü glikozdan enerji için kullandıkları ATP’yi (adenozin trifosfat) elde ederler. Biraz acıktığımızda, beynimiz genellikle enerji tüketimini fazla değiştirmez. Ancak insanların ve diğer hayvanların tarihsel olarak, bazen mevsimsel olarak, uzun süreli açlık tehdidiyle karşı karşıya kaldığı göz önüne alındığında, beyinlerin de acil durumlar için kendi düşük güç moduna sahip olup olmadığı merak konusudur.
Edinburgh Üniversitesi’nde Nathalie Rochefort’un laboratuvarındaki sinirbilimciler, Ocak ayında Neuron dergisinde yayınlanan bir makalede, farelerin görsel sistemlerinde enerji tasarrufu sağlayan bir stratejiyi ortaya çıkardılar. Fareler haftalarca yeterli besin almadan bırakıldığında (bu süre, sağlıklı kilolarının %15-20’sini kaybetmelerine yetecek kadar uzundur), beyin kabuğunun görmeyle ilgili bölgesindeki (görsel korteksteki) nöronların sinapslarında kullanılan ATP miktarını %29 oranında azalttığını buldular. Ancak, bu yeni işleme biçiminin algı açısından bir bedeli vardı: Farelerin dünyanın ayrıntılarını görme biçimini bozuyordu. Düşük güç modundaki nöronlar görsel sinyalleri daha az duyarlı bir şekilde işlediği için, yiyecek kısıtlaması uygulanan fareler zorlu bir görsel görevde daha kötü performans gösterdiler.
Yeni çalışmanın ilk yazarı Zahid Padamsey, “Bu düşük güç modunda, dünyanın düşük çözünürlüklü bir görüntüsünü elde edersiniz” diyor. Bu çalışma, yetersiz beslenmenin veya hatta bazı diyet biçimlerinin insanların dünya algılarını nasıl etkileyebileceğini anlamak açısından önemli sonuçlar doğurabilir. Ayrıca, sinirbilim çalışmalarında hayvanları motive etmek için yaygın olarak kullanılan gıda kısıtlaması ve araştırmacıların algı ve davranış konusundaki anlayışının, nöronların optimal olmayan, düşük güç durumundaki çalışmalarıyla bozulmuş olma olasılığı hakkında soruları da gündeme getiriyor.
Daha Az Besin, Daha Az Kesinlik
Eğer açken bir işe odaklanamadığınızı veya aklınızın sadece yemekle meşgul olduğunu hissettiyseniz, sinirsel kanıtlar sizi destekliyor. Birkaç yıl önce yapılan bir çalışma, kısa süreli açlığın sinirsel işlemeyi değiştirebileceğini ve dikkatimizi, yiyeceği daha hızlı bulmamıza yardımcı olabilecek şekilde yönlendirebileceğini doğruladı.
2016 yılında, Michigan Üniversitesi’nde sinirbilimci olan Christian Burgess ve meslektaşları, farelerin yiyecekle ilişkilendirdikleri bir görüntüyü gördüklerinde, görsel kortekslerinin bir bölgesinde aç olduklarında daha fazla nöronal aktivite olduğunu; yedikten sonra ise bu aktivitenin azaldığını buldular. Benzer şekilde, insanlar üzerinde yapılan görüntüleme çalışmaları, yiyecek resimlerinin, denekler açken bazı beyin bölgelerinde, yedikten sonraki duruma kıyasla daha güçlü tepkiler uyandırdığını ortaya koymuştu.
Burgess, “Aç olsanız da olmasanız da, retinanıza çarpan fotonlar aynıdır” diyor. “Ancak, beyninizdeki temsil çok farklıdır, çünkü vücudunuzun ihtiyaç duyduğunuzu bildiği bir hedefiniz vardır ve dikkati bu hedefi tatmin etmenize yardımcı olacak şekilde yönlendirir.”
Peki, birkaç saatten fazla süren açlıktan sonra ne olur? Araştırmacılar, beynin en enerji yoğun süreçlerini azaltarak enerji tasarrufu yapabileceğini fark ettiler. Buna dair ilk somut kanıt 2013 yılında sineklerin minik beyinlerinden geldi. Fransız Ulusal Bilimsel Araştırma Merkezi ve ESPCI Paris’ten Pierre-Yves Plaçais ve Thomas Preat sinekler aç kaldığında, enerji açısından maliyetli olan uzun süreli bir bellek türü oluşturmak için gereken bir beyin yolunun kapandığını keşfettiler. Bu yolu aktive etmeye ve anı oluşturmaya zorladıklarında, aç sinekler çok daha hızlı öldüler; bu da bu sürecin kapatılmasının enerjiyi koruduğunu ve yaşamlarını kurtardığını gösteriyor.
Ancak, memelilerin çok daha büyük, bilişsel olarak gelişmiş beyinlerinin benzer bir şey yapıp yapmadığı bilinmiyordu. Ayrıca, hayvanlar aç kalmadan önce herhangi bir enerji tasarrufu modunun devreye girip girmeyeceği de net değildi. Bunun olmayabileceğini düşünmek için nedenler vardı: Sinirsel işlem için kullanılan enerji çok erken kesilirse, hayvanın yiyecek bulma ve tanıma yeteneği tehlikeye girebilirdi.
Yeni çalışma, uzun süre boyunca yiyecek kıtlığı yaşandığında, ancak tamamen yok olmadığında, beynin enerji tasarrufu sağlamak için nasıl adapte olduğuna dair ilk bakışı sunuyor. Araştırmacılar, üç haftalık bir süre boyunca, bir grup farenin vücut ağırlıklarının %15’ini kaybedene kadar, onlara verilen yiyecek miktarını kısıtladılar. Fareler aç kalmıyordu: Aslında, araştırmacılar, Burgess ve diğer araştırma gruplarının gözlemlediği kısa süreli açlığa bağlı nöral değişiklikleri önlemek için deneylerden hemen önce fareleri beslediler. Ancak fareler aynı zamanda ihtiyaç duydukları kadar enerji de alamıyorlardı.
Ardından araştırmacılar, farelerin nöronları arasındaki iletişimi dinlemeye başladılar. Fareler farklı açılarda yönlendirilmiş siyah çubukların görüntülerini izlediğinde, görsel korteksteki birkaç nöron tarafından gönderilen voltaj dikenlerinin (nöronların iletişim kurmak için kullandığı elektriksel sinyallerin) sayısını ölçtüler. Birincil görsel korteksteki nöronlar, tercih edilen yönelimlere sahip çizgilere yanıt verir. Örneğin, bir nöronun tercih edilen yönelimi 90 derece ise, görsel bir uyaranın 90 dereceye yakın veya 90 derece açıyla yerleştirilmiş elemanları olduğunda daha sık dikenler gönderir, ancak açı çok daha büyük veya küçük olduğunda oran önemli ölçüde düşer.
Nöronlar, iç voltajları kritik bir eşiğe ulaşana kadar bir sinyal gönderemezler; bu eşiği de hücreye pozitif yüklü sodyum iyonları pompalayarak elde ederler. Ancak sinyalden sonra, nöronlar tüm sodyum iyonlarını tekrar dışarı pompalamak zorundadırlar. 2001 yılında sinirbilimciler bu görevin beyinde en fazla enerji gerektiren süreçlerden biri olduğunu keşfettiler. Yazarlar, enerji tasarrufu sağlayan mekanizmaların kanıtlarını bulmak için bu maliyetli süreci incelediler ve doğru yerin burası olduğu ortaya çıktı. Aç bırakılmış farelerdeki nöronlar, zarlarından geçen elektriksel akımları ve içeri giren sodyum iyonlarının sayısını azalttılar, böylece sinyalden sonra sodyum iyonlarını tekrar dışarı pompalamak için daha az enerji harcamak zorunda kaldılar. Daha az sodyumun içeri girmesinin daha az sinyalle sonuçlanması beklenebilir, ancak aç bırakılmış fareler, iyi beslenmiş farelerle benzer bir sinyal oranını görsel kortikal nöronlarında korudular. Bu nedenle araştırmacılar, sinyal oranını koruyan telafi edici süreçleri aramaya başladılar. İki değişiklik buldular ve her ikisi de bir nöronun sinyal üretmesini kolaylaştırıyordu. İlk olarak, nöronlar giriş dirençlerini artırdılar, bu da sinapslarındaki akımları azalttı. Ayrıca, dinlenme zar potansiyellerini de yükselttiler, böylece sinyal göndermek için gereken eşiğe zaten yakın bir değere ulaştı.
Seattle’daki Allen Beyin Bilimi Enstitüsü’nde hesaplamalı sinirbilimci olan Anton Arkhipov, “Beyinlerin ateşleme hızlarını korumak için büyük çaba sarf ettiği görülüyor” diyor. “Ve bu bize bu ateşleme hızlarını korumanın ne kadar önemli olduğu konusunda önemli bir şey söylüyor.” Sonuçta, beyinler daha az sinyal göndererek de enerji tasarrufu sağlayabilir.
Ancak sinyal hızını aynı tutmak, başka bir şeyden fedakarlık etmek anlamına geliyor: Farelerdeki görsel kortikal nöronlar, onları ateşlemeye neden olan çizgi yönelimleri konusunda o kadar seçici olamadılar, bu nedenle tepkileri daha az hassas hale geldi.
Düşük Çözünürlüklü Görüş
Araştırmacılar, nöronların duyarlılığındaki azalmanın görsel algıyı etkileyip etkilemediğini kontrol etmek için fareleri, her biri beyaz bir arka plan üzerinde farklı açılarda siyah çubukların görüntüleriyle işaretlenmiş iki koridora sahip bir su altı odasına yerleştirdiler. Koridorlardan birinde, farelerin sudan çıkmak için kullanabileceği gizli bir platform vardı. Fareler, gizli platformu belirli bir açıda çubukların görüntüsüyle ilişkilendirmeyi öğrendiler, ancak araştırmacılar, resimdeki açıları daha benzer hale getirerek doğru koridoru seçmeyi zorlaştırabiliyorlardı.
Yiyecekten yoksun bırakılmış fareler, doğru ve yanlış görüntüler arasındaki fark büyük olduğunda platformu kolayca buldular. Ancak resimdeki açılar arasındaki fark 10 dereceden az olduğunda, yiyecekten yoksun bırakılmış fareler aniden iyi beslenmiş fareler kadar doğru bir şekilde ayırt edemez hale geldiler. Enerji tasarrufunun sonucu, dünyanın biraz daha düşük çözünürlüklü bir görünümü oldu.
Sonuçlar, beyinlerin hayatta kalmak için en kritik olan işlevlere öncelik verdiğini göstermektedir. Çubukların yönündeki 10 derecelik bir farkı görebilmek, yakındaki meyveleri bulmak veya yaklaşan bir yırtıcıyı fark etmek için muhtemelen şart değildir. Bu algı bozukluklarının hayvan gerçek açlığa girmeden çok önce meydana gelmesi beklenmedikti. Duke Üniversitesi’nde görme üzerine çalışan bir nörobilimci olan Lindsey Glickfeld, “Bu benim için kesinlikle şaşırtıcıydı” dedi. “Bir şekilde [görme] sistemi, hayvanın algısal görevi yapma yeteneğindeki bu nispeten ince değişiklikle enerji kullanımını büyük ölçüde azaltmanın bir yolunu bulmuş.”
Şimdilik, çalışma bize sadece memelilerin görsel kortikal nöronlarda bir enerji tasarrufu mekanizmasını devreye sokabildiklerini kesin olarak söylüyor. Rochefort, “Gösterdiğimiz şeyin örneğin koku alma duyuları için geçerli olmaması hala mümkün” dedi. Ancak o ve meslektaşları, bunun diğer kortikal alanlarda da farklı derecelerde meydana gelmesinin muhtemel olduğunu düşünüyorlar.
Diğer araştırmacılar da aynı fikirde. Pennsylvania Üniversitesi’nde işitsel işleme üzerine çalışan bir nörobilimci olan Maria Geffen, “Genel olarak, nöronlar kortikal alanlarda çok benzer şekilde işlev görüyor” diyor. Enerji tasarrufunun algı üzerindeki etkilerinin tüm duyular için aynı olmasını, organizma için o anda en faydalı olan aktiviteyi artırmayı ve diğer her şeyi azaltmayı bekliyor.
Geffen, “Çoğu zaman duyularımızı sınırlarına kadar kullanmıyoruz” diyor. “Davranışsal taleplere bağlı olarak, beyin sürekli olarak kendini ayarlıyor.”
Neyse ki, ortaya çıkan herhangi bir bulanıklık kalıcı değil. Araştırmacılar, vücudun enerji dengesini ve açlık seviyelerini düzenlemek için kullandığı leptin hormonunu farelere verdiklerinde, düşük güç modunu açıp kapatan anahtarı buldular. Nöronlar, tercih ettikleri yönelimlere yüksek hassasiyetle yanıt vermeye geri döndüler ve işte böylece, algısal eksiklikler ortadan kalktı – üstelik fareler tek bir lokma yiyecek bile yemeden.
Rochefort, “Leptin verdiğimizde, beyni kortikal fonksiyonu geri kazandıracak noktaya kadar kandırabiliyoruz” diyor.
Leptin yağ hücreleri tarafından salındığı için, bilim insanları kandaki varlığının, hayvanın bol miktarda yiyeceğin olduğu ve enerji tasarrufuna gerek olmadığı bir ortamda olduğunu beyne işaret ettiğine inanıyorlar. Yeni çalışma, düşük leptin seviyelerinin beyni vücudun yetersiz beslenme durumuna karşı uyardığını ve beyni düşük güç moduna geçirdiğini öne sürüyor.
Londra’daki Francis Crick Enstitüsü’nde sinirbilimci olan Julia Harris “Bu sonuçlar alışılmadık derecede tatmin edici” diyor. “Mevcut anlayışla bu kadar uyumlu, bu kadar güzel bir bulgu elde etmek pek sık görülen bir şey değil.”
Sinirbilimi Çarpıtmak
Yeni bulguların önemli bir sonucu, beyinlerin ve nöronların nasıl çalıştığına dair bildiklerimizin çoğunun, araştırmacıların farkında olmadan düşük güç moduna aldıkları beyinlerden öğrenilmiş olabileceği gerçeğidir. Fareler ve diğer deney hayvanlarına, sinirbilim çalışmaları öncesinde ve sırasında haftalarca yiyecek verilmesini kısıtlamak, onları yiyecek ödülü karşılığında görevleri yerine getirmeye motive etmek için son derece yaygın bir uygulamadır. (Aksi takdirde, hayvanlar genellikle sadece oturmayı tercih ederler.)
Rochefort, “Gerçekten derin bir etki, yiyecek kısıtlamasının beyin fonksiyonunu etkilediğini açıkça göstermesidir” diyor. Gözlemlenen yüklü iyon akışındaki değişikliklerin, sinapslarda meydana gelen belirli değişikliklere bağlı oldukları için, öğrenme ve bellek süreçleri için özellikle önemli olabileceğini öne sürüyor.
Glickfeld, “Bir hayvanın algısının veya nöronların duyarlılığı hakkında sorular sormak istiyorsak, deneyleri nasıl tasarladığımızı ve deneyleri nasıl yorumladığımızı çok dikkatli düşünmeliyiz” diyor.
Sonuçlar ayrıca, diğer fizyolojik durumların ve hormon sinyallerinin beyni nasıl etkileyebileceği ve kan dolaşımındaki farklı hormon seviyelerinin bireylerin dünyayı biraz farklı görmesine neden olup olamayacağı konusunda yepyeni sorular ortaya çıkarıyor.
Kopenhag Üniversitesi’nde sinirbilimci olan Rune Nguyen Rasmussen, insanların leptin ve genel metabolik profillerinde farklılık gösterdiğini belirtti. “Bu, görsel algımızın bile -farkında olmasak da- insanlar arasında gerçekten farklı olduğu anlamına mı geliyor?” diye soruyor.
Rasmussen, sorunun kışkırtıcı olduğunu ve yanıta dair çok az somut ipucu verdiğini belirtiyor. Farelerin bilinçli görsel algılarının gıda yoksunluğundan etkilenmesi muhtemel görünüyor, çünkü bu algıların nöronal temsillerinde ve hayvanların davranışlarında değişiklikler meydana gelmekte. Ancak kesin olarak bilemeyiz, “çünkü bu, hayvanların bize niteliksel görsel deneyimlerini tarif edebilmelerini gerektirir ve açıkçası bunu yapamazlar” diyor.
Ancak şu ana kadar, farelerdeki görsel kortikal nöronların uyguladığı düşük güç modunun ve bunun algı üzerindeki etkisinin insanlarda ve diğer memelilerde de aynı olmayacağını düşündürecek herhangi bir neden de yok.
Glickfeld, “Bunların nöronlar için gerçekten temel mekanizmalar olduğunu düşünüyorum” diyor.
Dipnotlar:
- https://discovery-brain-sciences.ed.ac.uk/our-staff/research-groups/nathalie-rochefort
- Padamsey, Zahid et al. (2022). Neocortex saves energy by reducing coding precision during food scarcity. Neuron, Volume 110, Issue 2, 280 – 296.e10.
- https://discovery-brain-sciences.ed.ac.uk/our-staff/postdoc-researchers/zahid-padamsey
- https://www.bio.espci.fr/-Thomas-Preat-Pierre-Yves-Placais-Energy-Memory-
- Attwell D, Laughlin SB. An Energy Budget for Signaling in the Grey Matter of the Brain. Journal of Cerebral Blood Flow & Metabolism. 2001;21(10):1133-1145.
- https://alleninstitute.org/person/anton-arkhipov/
- https://www.neuro.duke.edu/research/faculty-labs/glickfeld-lab
- https://www.med.upenn.edu/apps/faculty/index.php/g329/p8404062
- https://www.crick.ac.uk/research/find-a-researcher/julia-harris
Kaynak: Allison Whitten. June 14, 2022. The Brain Has a ‘Low-Power Mode’ That Blunts Our Senses. https://www.quantamagazine.org/the-brain-has-a-low-power-mode-that-blunts-our-senses-20220614/
Hakan Atalay 