Nöron Kodlama Nedir?

Zihnimizde beliren her duygu ve düşünce milyarlarca nöronun ürettiği elektriksel sinyallerin sonucudur. Düzen bakımından son derece sert, uyum sağlayabilirlik bakımından son derece esnek olan beyinde tüm bu sinyaller doğal yollarla oluşur ve nörobilimin başta gelen gözlem alanlarındandır. Geleneksel nörobilim, beynin işleyiş mekanizmalarını anlamak için bu doğal yollarla oluşmuş kodları okumaya odaklanır. Bu, beyin tarafından yazılan elektriksel bir sinyal dilinin çözümlenmesi ve deşifre edilmesine çabalayan bir çeşit kriptanaliz sanatıdır fakat modern bilim ve mühendislik ışığında bu doğal sinyaller artık yalnızca gözlem alanı olmanın ötesine geçmiş ve belirli sinir hücresi tipleri doğrudan davranışsal kontrole alınmaya hatta bazı durum ve araştırmalarda programlanmaya başlanmıştır. Bu devrimsel çalışma sahası, genellikle nöromodülasyon, optogenetik gibi "nöron kodlama" olarak adlandırılmaktadır. Bu makale, nöron kodlamanın temel prensiplerini açıklayacaktır.

Nöron Kodlama Tam Olarak Ne Anlama Gelir?

Nöron kodlama, bir sinir hücresinin temel davranış ve işleyişini; ışık, kimyasal maddeler, elektrik ve genetik araçlar gibi kasıtlı bir dış müdahale ile değiştirme faaliyetlerinin tümüne verilen isimdir. Burada nörona bizzat ve doğrudan bir program yüklenerek kendi halinde doğal uyaranlara verdiği reaksiyonlar baskılanıp yeni bir komut seti ile belirli bir anda spesifik bir kimyasalı üretmeye, ateşlenmeye veya susmaya zorlanır. "Program yükleme" ifadesi ile gerçekte nöronun çeşitli girdilere verebileceği tepki ihtimali ve zamanlamasını değiştiren biyolojik müdahaleler kast edilir.

Neden Biyolojik Programlama Metoduna Başvuruyoruz?

Nöron kodlama çalışmaları temelde birbirinden beslenen iki ana amaca hizmet etmek adına sürdürülür. İlk amaç beyni ve nöral devreleri anlamaktır. Diğer amaç ise belirli hastalıkların tedavisini gerçekleştirebilmektir. Özellikle ikinci amaç, tıpta ilerleme kaydedebilmek adına son derece önemlidir.

Beyni ve Nöral Devreleri Anlamak

Beyin kendisini oluşturan trilyonlarca sinaptik bağlantı ile bilinen (ya da bilinmeyen) en karmaşık devredir. Davranış, karar verme, dikkat, hafıza, duygu gibi son derece kompleks fonksiyonların beyinde hangi nöral devrelerde ve tam olarak nasıl kodlandığını anlamak için devrenin belirli parçalarının izole edilip üzerlerinde inceleme yapılması gerekmektedir. İzole edilen nöronların üzerine "ateşlen/sus" komutu yazılıp devredeki rolleri ve ilgili davranışlar üzerindeki etkileri nedensellik açısından analiz edilebilir.

Hastalıkları Tedavi Etmek

Parkinson, epilepsi ve kronik depresyon (hatta bazı bağımlılıklar) gibi nörolojik bozukluklar, beynin belirli bölgelerindeki nöral devrelerin yanlış kodlar üretmesinden kaynaklanabilir. Nörolojik bozuklukların çevresel, genetik ve nörokimyasal başta olmak üzere çeşitli bileşenleri bulunur. Öte yandan nörol devrelerdeki yanlış kodların üretilmesi de önemli etkenler arasında yer alır.

• Parkinson hastalığında nöronların anormal biçimde ateşlenmesiyle ortaya çıkan karakteristik semptomları dışarıdan bir müdahale ile akort etmeyi amaçlayan Devre Modülasyonu (en yaygın kullanım Derin Beyin Stimülasyonu)
• Epilepsi hastalığında nöron gruplarının aşırı ve kontrolsüz biçimde senkronize ateşlenmesini önlemek adına nöbet öncesi veya nöbet sırasında ani bir şekilde aktif hale gelen nöronların inhibe edilmesi
• Depresyon ve bağımlılık gibi durumlarda beynin genellikle prefrontal korteks devrelerindeki elektrokimyasal dengesizlik kaynaklı hataların düzeltilmesi ve bu durumlarla ilişikli nöron tiplerinin aşırı aktivitesinin baskılanması
• Körlüğe neden olan Retinitis Pigmentosa gibi bazı hastalıklarda fotoreseptörlerin ölmesi ancak sinyalleri beyne taşıyan gangliyon nöronların sağlam kalması durumunda hayatta kalan kör gangliyon nöronların ölen fotoreseptörlerin görevini üstlenecek şekilde ışık sensörü koduyla programlanması

Tüm bunlar, nöron kodlamanın tıbbi uygulamaları arasında gösterilebilir.

Kullanılan Nöron Kodlama Yöntemleri Nelerdir?

Nöron kodlama oldukça çeşitlidir. Genetik kodlama, optogenetik kodlama, kimyasal kodlama ve elektriksel kodlama; nöron kodlamadaki farklı yöntemlerdir. Bu yöntemleri her biri farklı teknikler içerse de aynı temel mekanizma üzerine kurulmuşlardır:

1. Nöronun içine yeni bir özellik eklenir (input)
2. Nöronun üzerine sinyal gönderilir (işlem)
3. Nöron sinyalin ilişkilendirildiği komutu uygular (output)

Genetik Kodlama

Nöronun içine yeni bir genetik bilgi eklemek veya var olan bir geni değiştirmek suretiyle nöronun davranışını belirli bir uyaran karşısında programlanmış hale getirme yöntemidir. Bu yaklaşım, özellikle optogenetik ve kemogenetik gibi pek çok modern nöron kodlama tekniğinin temelini oluşturur; buna karşılık, klasik elektriksel uyarım teknikleri genetik değişiklik gerektirmez.

Optogenetik Kodlama (Işık ile Programlama)

Nörona yerleştirilen ışığa duyarlı iyon kanallarını, fiber optik kablolarla gönderilen ışıklarla uyarıp devrenin işleyişine müdahale edilir. Nöron kodlamadaki en hassas kontrolü sunan yöntemdir.

Kimyasal Kodlama (Chemogenetics/DREADDs)

Nöronlar yalnızca özel tasarlanmış kimyasallara cevap veren reseptörlerle donatılır. Bu sayede, o kimyasalın varlığında nöronun ateşleme olasılığı kontrollü biçimde artırılabilir veya azaltılabilir; kimyasal olmadığında ise nöron doğal bazal aktivitesine yakın bir düzeyde kalır. Bu birliktelik şekilsel olarak bir çeşit enzim-substrat kompleksi gibi düşünülebilir.

Elektriksel Kodlama (BMI-Brain Machine Interfaces)

Klinikte en çok kullanılan olan elektriksel kodlamada elektrotlarla doğrudan nöronlara komutlar gönderilir. Böylece nöronların ateşleme frekansı direkt modüle edilebilir. Bazen beyin-makine arayüzleri ile birlikte kullanıldığı görülür.

Sonuç

Benliğimizin temelini oluşturan nöronlar, yeterince yaratıcı ve cesur düşünülüp doğru yöntemlerle ilerlendiği takdirde yalnızca elektriksel sinyaller üreten biyolojik yapılar olmanın ötesinde, kompleks görevler yapma kabiliyetine sahip kontrollü bilgi işleme birimleri olarak da kullanılabilir. Nöron kodlama sahası, nörobilimin temeli olan "okuma" yeteneğine "yazma" yeteneğini ekleyerek insan zekasının kabiliyetlerinin seviye atlamış bir uygulaması olarak değerlendirilebilir.^{[1], [2], [3], [4], [5]}