Nöronların elektrik sinyallerinin şekli bilgi taşıyor olabilir

Nöronların ürettiği yaklaşık 1 milisaniye süren elektriksel darbelerin yalnızca oluşup oluşmadığı değil, şeklinin de bilgi taşıyabileceği ortaya çıktı. Yeni bir ön baskı çalışmasına göre elektrik sinyalinin dalga biçimi, nöronun kısa süre önce aldığı elektriksel girdiler ve çevresindeki sinirsel aktivite hakkında ipuçları barındırıyor olabilir.

Kaliforniya Üniversitesi San Diego’dan (UC San Diego) sinirbilimci Bradley Voytek’in de yer aldığı araştırma, nöronların elektriksel aktivitesinin şimdiye kadar kullanılan “sinyal var ya da yok” yaklaşımından daha karmaşık olabileceğine işaret ediyor.

Çalışma henüz hakem değerlendirmesinden geçmedi.

Elektrik sinyalleri birbirinin aynısı değil

Sinirbilim araştırmalarında nöronların aktivitesi çoğunlukla “aksiyon potansiyeli” olarak adlandırılan elektriksel darbelerin ne zaman ve ne sıklıkta ortaya çıktığı üzerinden inceleniyor.

Ancak araştırmacılar, bu darbelerin yakından incelendiğinde birbirinin aynısı olmadığını gösterdi. Yaklaşık 1 milisaniye süren sinyallerin yüksekliği, voltajın düşüş hızı ve diğer dalga biçimi özellikleri değişebiliyor.

Voytek, ScienceAlert’e yaptığı açıklamada, bir aksiyon potansiyelinin uzaktan bakıldığında basit bir “sivri” dalga gibi göründüğünü ancak yakından incelendiğinde şeklinin nöronun kısa süre önce yaşadığı elektriksel değişimler hakkında bilgi verebildiğini söyledi.

Araştırmacıya göre sinyali yalnızca ikili bir olay olarak kaydetmek, bu ek bilgilerin kaybedilmesine yol açabilir.

Tek bir sinyalden uyarım türü tahmin edildi

Araştırmanın ilk bölümünde görmeyle ilişkili bir beyin bölgesindeki iki fare nöronundan alınan kayıtlar incelendi.

Hücrelere farklı elektriksel girdiler uygulandı. Bu girdiler arasında giderek artan sabit bir akımın yanı sıra “pembe gürültü” olarak adlandırılan dalgalı elektriksel uyarımlar da yer aldı.

Araştırmacılar, hücre içinden yapılan kayıtlarla elektrik darbelerindeki küçük şekil değişikliklerini inceledi.

Nöronlardan biri üzerinde kullanılan makine öğrenmesi modeli, yalnızca elektrik sinyalinin şekline bakarak üç farklı elektriksel uyarım türünü yüzde 78,4 doğrulukla ayırt edebildi. İkinci nöron için aynı analizi yapmaya yetecek kayıt bulunmadı.

Sinyalin şekli ayrıca uygulanan elektriksel girdinin gücü ve değişkenliği hakkında da bilgi taşıyordu. Araştırmacılar, bazı bilgilerin elektrik darbesinden yaklaşık yarım saniye öncesine kadar uzanabildiğini belirledi.

Aynı nöron farklı şekillerde sinyal üretebiliyor

Araştırmanın ikinci bölümünde sıçanların beyinlerinden alınan kayıtlar incelendi. Bu kez belirli bir elektriksel uyarım verilmek yerine kendiliğinden aktif olan nöronlar araştırıldı.

İncelenen 40 nöronun 30'unda, aynı hücreden gelen sinyallerin birden fazla belirgin şekil grubuna ayrıldığı görüldü.

Bazı az sayıdaki nöronda şekil farklılıkları o kadar belirgindi ki aynı hücreden gelen sinyaller, farklı nöronlardan gelen sinyaller kadar birbirinden farklı görünebildi. Çoğu hücrede ise farklılıklar daha sınırlıydı.

Araştırmacılar ayrıca sinyal şekillerini nöronun çevresindeki elektriksel aktiviteyle karşılaştırdı. Çoğu nöronda sinyalin şekli, yakın çevredeki elektriksel sinyalin gücünü, yalnızca iki sinyal arasındaki zaman aralığından daha iyi tahmin etti.

Bu ilişkinin istatistiksel olarak hücrelerin yüzde 87 ila 90'ında görüldüğü, ancak tahmin gücünün çoğunlukla sınırlı olduğu belirtildi.

En güçlü ilişkinin görüldüğü seçilmiş bir hücrede ise elektrik sinyallerinin şekli, yakındaki elektriksel aktivitenin bir ölçümündeki değişimin yaklaşık yüzde 64'ünü açıklıyordu. Araştırmacılar bunun tek bir hücreye ait sonuç olduğunu ve hücrelerin çoğunda ilişkinin çok daha zayıf olduğunu vurguladı.

Nöronlar sinyalin şeklini bilgi iletmek için mi değiştiriyor?

Araştırmanın yanıtlamadığı temel sorulardan biri, nöronların elektrik sinyallerinin şeklini başka nöronlara bilgi aktarmak amacıyla değiştirip değiştirmediği.

Voytek, elde edilen verilerin sinyal şeklinin diğer nöronlara bilgi taşıyıp taşımadığını doğrudan ortaya koymadığını belirtti.

Çalışmanın gösterdiği temel ilişki, elektrik sinyalinin şeklinin nöronun kısa süre önce aldığı girdiler ve çevresindeki elektriksel aktiviteyle bağlantılı olması.

Araştırmacılar, daha önceki çalışmaların elektriksel darbenin genişliğindeki değişimlerin nörona giren kalsiyum miktarını ve bunun diğer hücrelere aktarılmasını etkileyebileceğini gösterdiğine dikkat çekti. Ancak bu mekanizmanın söz konusu çalışmada gözlenen değişimlerle bağlantılı olup olmadığı henüz test edilmiş değil.

Daha geniş çalışmalar gerekiyor

Araştırmanın önemli sınırlılıklarından biri, farklı elektriksel akımlarla yapılan deneylerde yalnızca iki nörondan elde edilen kayıtların kullanılması. Verilerin başlangıçta başka araştırmalar için toplanmış olması da sonuçların kapsamını sınırlıyor.

Bu nedenle gözlenen sinyal şekillerinin beynin diğer bölgelerinde ve farklı nöron türlerinde ne kadar yaygın olduğu henüz bilinmiyor.

Bulgular, nöronların elektriksel aktivitesini analiz eden yöntemler açısından da önem taşıyabilir. Araştırmacılar bugüne kadar beyin kayıtlarında çoğunlukla sinyallerin ne zaman ortaya çıktığı ve ne sıklıkta tekrarlandığı gibi özelliklere odaklandı.

Yeni çalışma ise aynı nöronun farklı şekillerde elektrik sinyalleri üretebilmesinin, beyin kayıtlarının yorumlanmasında dikkate alınması gereken ek bir bilgi kaynağı olabileceğini gösteriyor.

Araştırmanın ön baskısı bioRxiv'de yayımlandı.