Bilim İnsanları, Kızılötesi Işığı Görebilen Fareler Yarattılar!

Beyin, harika bir bilgi işlemcisidir ancak bilginin nereden geldiğini önemsemez. Görme, koku alma, tatma, duyma ve dokunma; beynimizle iletişim halinde olan bizim biricik duyularımız, basit elektrik sinyallerine dönüşür. Her ne kadar dünyayı ışık hüzmeleri ve ses dalgaları halinde algılıyor olsak da bunların hepsi tek bir tonda işlenir: elektriksel ton. Kısacası, bütün duyularımız beynimiz için aynıdır. Bu tuhaf görüş, çok daha tuhaf olan "duyusal ikame" deneylerine öncülük etmiştir.

1969 yılında, nöroplastisite öncüsü Dr.Paul Bach-y-Rita, 1950’lerin bilim kurgu ustası Isaac Asimov’un aklından çıkmış gibi görünen bir görme ikame düzeneği (vision replacement setup) tasarladı. Korkutucu dişçi koltuğunun arkasına sıra sıra monte edilmiş, toplamda 400 tane titreşimli ince uç (needle) düşünün. Görme engelli denekler bu koltuğa uzanıp sırtlarındaki hassas derilerini bu titreşim matrisine (vibration matrix) yaslıyorlar. Koltuğun koluna yakın yere yerleştirilmiş basit bir kamera, koltuğun önündeki nesnelerin siyah beyaz görüntülerini yakalıyor. Kameradaki görüntü, titreşimli uçlar yardımıyla 400 piksellik bir “görüntü”ye (bir tür basınç haritasına) dönüştürülüyor. Her kamera pikseli, titreşim matrisindeki bir uca karşılık geliyor; siyah pikseller karşılık geldiği uç tarafından güçlü dürtü oluştururken beyaz pikseller hafif bir dokunuş sergiliyor. Bu düzenek her ne kadar büyük, aksak ve yavaş olsa da işe yaradı.

Eğitimden sonra görme engelli denekler karalama, şekil ve yüzleri ayırt etmekle kalmayıp üçten fazla insanı ve kısmen belirsiz hatlı nesneleri içeren karmaşık görsel resimleri de sadece derileriyle analiz edebildiler. Ancak esas olay şu: Titreşimler deneğin duyu korteksinde değil de görsel korteksinde işlendi. Bir şekilde deneğin işlevsiz görsel prosesi, dokunma duyusunu sanki kendininmiş gibi sahiplendi. Pekiyi, bunun sonucunda ne oldu? Denekler derileriyle "gördüler".

O zamandan beri duyu ikamesi, görme engellilerin müzik yardımıyla görmesini, sesler yardımıyla okumasını ve motor hareketleri engelli olanların ilgili bilgileri dilleriyle algılamasını sağlamıştır. Yine de bu deneyler hep bir ya da birden fazla duyusu hasarlı olan hastalarda uygulandı. Duke'teki sinirmühendisleri Dr. Eric Thomson ve Dr. Miguel Nicolelis bunun üzerine şunu sordular: Pekiyi, ya biz bu deneyleri sağlıklı bir beyne yapsak? İlave duyular "programlayabilir" miyiz?

"Ne olacaksa olsun!" diye düşündü Thomson, "Hadi, şu farelere kızılötesi görüş verelim."

(Kızılötesi) Işık Olsun!

Thomson, sadece birkaç milimetre genişliğindeki çift modüllü küçük implantlar tasarlayarak deneyine başladı. İmplant, kafaya bağlı kızılötesi detektörün çıktısını; farenin özellikle bıyıklarca algılanan dokunma sinyallerine cevap veren, duyu korteksine yerleştirilmiş elektrikli mikrostimülatörün mikrodizisine iletti. Daha sonra, susuz bırakılmış fareleri, yuvarlak alandaki üç su ağızlığını birbirinden ayırt edecek şekilde eğitti. Her ağızlık rastgele bir düzende ışık yayıyordu; su ödülünü almak için farelerin yapması gereken tek şey, ışık yanan ağızlığa gitmeleriydi. Fareler oyunun kurallarını öğrendiğinde Thomson ışıkları kızılötesiyle değiştirdi.

Farenin kafasının üstüne yerleştirilmiş detektör tarafından algılanan farklı şiddetteki kızılötesi ışıklar farklı bir değer alıyor ve farklı bir elektriksel simülasyon modeline dönüştürülüyordu. Sonrasında bu modeller, istenen akım darbelerini gerçek zamanda duyu korteksine ileten mikrostimülatöre gönderiliyordu. Thomson şöyle diyor:

"Hayvanların, ikili açık-kapalıdan ziyade kademeli kızılötesi şiddetini işleyebilmesini istedik. Sonuçta görülebilir ışık da ya hep ya hiçten ibaret değil."

İlk başta farelerin kafası karıştı, uyartıya karşılık olarak kızılötesi kaynağına gideceklerine oturup sanki dışarıdan bir şey dokunmuş gibi bıyıklarını temizlemeye başladılar; aslında duyu korteksleri akımla uyarıldığı için dışarıdan bir şey bıyıklarına dokunmuş gibi hissetmeleri normaldi. Aşağı yukarı bir aylık eğitimin ardından altı hayvanın hepsi kızılötesi başlıklarına alışmış, kızılötesiyle yemek aramayı öğrenmişlerdi. Thomson şöyle diyor:

Farelerin kızılötesi dalgaların nereden geldiğini daha iyi algılamak için kafalarını sağa sola uzattıklarını görebiliyorduk. Bu durum, %70'i aşkın seferde su dolu ağızlıklardan doğru olanı seçmelerini sağladı.

Daha sonraki testler, farelerin bıyıklarına “dokunulma bilgisi”ni gayet iyi bir biçimde algılayabildiklerini, yeni kızılötesi "duyu"larının eski duyularını köreltmediğini doğruladı. 2013 yılında Nature Communications'da yayınladıkları çalışma raporunda Thomson şunları yazdı:

"Bilebildiğimiz kadarıyla bizler, türlerin algı dağarcığını yakın kızılötesi elektromanyetik spektrumu içerecek şekilde genişletebilen ilk kortikal nöroprotezi yapmış olduk."

Şimşek Hızında Duyu Birleşmesi

Çalışma baştan beri mükemmel olsa da Thomson bununla yetinmedi. Bir kere, farelerde yalnızca bir adet kızılötesi detektör vardı, bu da derinlik algısını oldukça kısıtlıyordu. Diğeri de fareler teknik olarak kızılötesini "görmüyor", "hissediyor"lardı çünkü bütün işi yapan duyu korteksleriydi.

Chicago'daki 2015 Society for Neuroscience'ın yıllık konferansında bildirdiği üzere Thomson yeni deney serisinde, farelerin beynine 360 derecelik panoramik kızılötesi algı sağlayan üç ilave elektrot yerleştirdi.

Bu ilaveyle birlikte hayvanların kızılötesine adapte olmalarında neredeyse 10 katlık artış görüldü. Su arama deneyi yeniden uygulandığında farelerin düzeneği öğrenmesi ilk deneydeki tek implantlıların 40 günlük sürecine kıyasla yalnızca 4 gün sürdü. Thomson, Science News'a şunları söyledi:

Doğrusu bu şaşırtıcıydı. Beyinlerinin yalnızca bir bölgesinde değil de her yerinde birçok uyartı olmasının farelerin kafasını karıştıracağını düşünmüştüm.

Ama en çok şaşılacak an, implantları farelerin görsel korteksine yeniden yerleştirdiği zaman yaşandı: Bu sefer, hayvanların su deneyini öğrenmesi yalnızca bir gün sürdü. 

Kızılötesi trafiğin görsel kortekslere yeniden yönlendirilmesi neden öğrenmeyi hızlandırdı? Thomson tam olarak emin değil ama bu olanların kızılötesi ışığın doğasıyla ilgili olduğunu düşünüyor. Nihayetinde, görsel korteksimiz, dalga boyuna baktığımızda kızılötesine çok benzer olan görünür ışığı algılamaya elverişlidir. Belki de görsel korteksimiz, duyu korteksimize nazaran kızılötesini algılamakta "özelleşmiş”tir. Thomson diyor ki:

Daha derine inmeden ve görsel sistemin farklı seviyelerindeki plastisitenin değişimlerine bakmadan kesin bir şey söyleyemeyiz. Yine de şunu biliyoruz ki görsel korteks hem görünür ışığı hem de kızılötesini aynı anda algılayabiliyor.

Her ne kadar biyo-sanalkorsanlar (biohacker) insanların görünür ışık spektrumunu yakın kızılötesine çıkarmakla uğraşsa da duyuları artırmak şu an için hayvanlarla sınırlı. Thomson'ın çalışması, "kızılötesi göz" donanımının işe yaraması durumunda beynimizin buna çabucak adapte olacağını gösteriyor. Thomson şöyle diyor:

Doğrusu ben hala hayretler içerisindeyim. Beyin, her daim yeni bilgi kaynaklarına aç ama tamamıyla yabancı olan bu türleri çok kısa zamanda absorbe edebilir ki bu durum nöroprotez ve artırma (augmentation) alanları için inanılmaz büyük bir nimet. Çalışmamız, duyu kortikal protezlerin normal nörolojik fonksiyonları yeniden kazandırmasına ilaveten memelilerdeki doğal algı kabiliyetini arttırmak için de kullanılabileceğini öne sürüyor. İşte ben bu nedenle çok heyecanlıyım.