Nörobilim üzerinde Yaklaşımlar

Her zamanki gibi, doğa bilimlerindeki ilerlemenin ana nedeni metodolojik gelişmelerdir. Tabii ki, kavramsal gelişmeler paralel olarak takip eder ve gider, ancak bence nörobilim alanındaki muazzam genişleme, en alt düzeyde bir dizi metodolojik atılım tarafından tetiklendi. Bunlar, moleküler biyoloji, genetik mühendisliği alanındaki ilerlemelerdi ve belirli hastalıkların incelenmesi için gelişim çalışmaları için model sistemler sağladı.

Bu teknikler aynı zamanda nöronların biyokimyasal ve moleküler tanımlanması için son derece değerli araçlar sağladı. Farklı moleküler makinelerle donatılmış, morfolojik olarak görünüşte aynı nöronların bir dereceye kadar çeşitlenmesini öğrendik. Bütün bunları moleküler biyolojinin gelişmesine borçluyuz.

Sanırım ikinci önemli faktör de non-invaziv görüntüleme teknolojilerinin gelişmesiydi. çünkü bu, hayvan deneylerinde geliştirilen çok sayıda kavramı insan denekler üzerindeki araştırmalara aktarmamıza izin verdi. İşte bu fonksiyonel manyetik rezonans görüntüleme pozitif emisyon tomografisi.

Ayrıca, beyindeki elektriksel aktivitenin analizi için çok daha iyi uzamsal çözünürlüğe izin veren manyetoence holografisinin tanıtılması, alanda önemli bir genişlemeye yol açtı. Sonra bence göz ardı edilemeyecek bir faktör, devasa bilgisayar gücünün kullanılabilirliği, artan kullanılabilirliğiydi çünkü nörobiyoloji, nöron ağı özelliklerinin analizi için gerekli olduğunu düşündüğüm çok bölgeli kayıt tekniklerini uygulamaya başladıkça, veriler giderek daha karmaşık hale geldi ve bu alana başladığım klasik zamanlarda olduğu gibi verileri sadece onlara bakarak değerlendirmek giderek daha imkansız hale geldi. Bilgisayar yoktu. Uzun kağıt şeritlerini keserek ve bunları zeminde hareket ettirerek çapraz korelasyon analizi yapmak zorunda kaldık.

Bu nedenle, bilgi işlem gücünün mevcudiyeti, en azından sistem fizyolojisini büyük ölçüde ilerletmiştir. Bu gelişmelerde büyük bir etkisi olduğunu düşünüyorum. Ve son olarak, bu bilgisayar olanaklarının mevcudiyeti, nöronal ağların özelliklerini teorik düzeyde ele almamıza da izin verdi.

Nöronal ağların sergilediği dinamikler o kadar karmaşıktır ki, yalnızca modelleme çalışmaları ve teorik yaklaşımlar bizi eğitimli hipotez formüle edebilecek bir konuma getirir. Ayrıca, nöronal kodların araştırılması için, bu arama araçları olmadan ilerleyemeyiz. Bu nedenle, tüm bu metodolojik gelişmelerin, herhangi bir bilimsel disiplinde eşi benzeri görülmemiş bir şey olduğunu düşündüğüm nörobilimlerin büyük genişlemesinden sorumlu olduğunu düşünüyorum.

Kendi araştırmam söz konusu olduğunda, biyografimde iki bölüm var. Başlangıçta beyindeki gelişimsel süreçleri inceledim. Özellikle doğum sonrası deneyimle şekillenen gelişimsel süreçler ilgimi çekti.

Ve bu yaklaşımın mantığı, olgun beynin organizasyonunun o kadar karmaşık olduğunu hissettim ki, gelişimsel ilkeleri incelememiz ve onlardan anlam çıkarmaya çalışmamız ve bu gelişimsel süreçlerin sonunda neye yol açacağını tahmin etmeye çalışmamız daha iyi oldu. Ama sonra, tam da oturduğumuz bu laboratuvarda tesadüfen meydana gelen bir bulgu hayatımı değiştirdi çünkü istemeden de olsa fark ettim ki, uyanık olan yavru kedilerin birincil görsel korteksindeki nöronlar, arkamdaki masada oturup sürüklenen bir ızgarayı izliyorlardı, son derece senkronize salınım aktivitesine sürüklendiler ki bunu ne uyarana ne de Almanya'daki ana şaltere indirgeme olarak nitelendiremezdim, çünkü 50 döngüdür çünkü 40 hertz aralığında bir salınımdı. Ve böylece ilk kez, uzamsal olarak dağılmış nöronların, aktivitelerini oldukça büyük mesafelerde milisaniye aralığında çok yüksek bir hassasiyetle koordine edebildiklerini gördüm.

Ve bu, belki de zamanın, dağıtılmış nöronal tepkilerin koordinasyonu için bir kodlama alanı olarak kullanıldığı fikrini tetikledi. Ve bu seçeneği o kadar ilginç buldum ki, çok sevilen gelişimsel nörobiyoloji alanını ihmal etmeye karar verdim ve çabalarımızın çoğunu bu fenomenin daha ileri analizine harcamaya karar verdim. Ve bu şimdi neredeyse 15 yıl veya daha uzun bir süre önce.

Ve o zamandan beri zamanımızın çoğunu çok bölgeli kayıtlarla ve dağıtılmış sinir ağlarında mekansal zamansal patent arayışıyla geçirdik, çünkü bilginin klasik olarak varsayıldığı ve onaylandığı gibi sadece nöronların boşalma hızında kodlanmadığına dair kesin inancımız var, ama aynı zamanda ek bilginin, sıfır faz göl korelasyonları olan nöronların bireysel deşarjları arasındaki kesin geçici ilişkilerde kodlandığına inanıyoruz. Bu yüzden kesin tesadüf muhtemelen buzdağının sadece görünen kısmıdır. Ancak önemli bir ipucu, çünkü senkron aktivite nöronal ağlarda özellikle ilginçtir, çünkü çok kolay yayılır, senkronize yanıtlar, büyük zamansal pozisyonla nöronal tepkilerin belirginliğini arttırmanın bir yoludur.

Spike bazında spike bazında yapılabilir. Ve ilk hipotez, bu senkronizasyonun, uzamsal olarak dağılmış nöronlar tarafından işlenen özellikler arasındaki ilişkileri kurmak için duyusal işlemenin periferik aşamalarında kullanılmasıydı. O zamandan beri, daha birçok laboratuvar senkronizasyon fenomenini aramaya başladı.

Sanırım Avrupa'da, beyindeki senkron salınım aktivitesini değerlendirmek ve bu aktiviteleri bilişsel işlevlerle ilişkilendirmek için EEG tekniklerini uygulayan RI gibi meslektaşlarıyla başladı. Ve o zamandan beri salınımların ve senkronizasyonun rolü çok tartışmalı bir şekilde tartışıldı. Bu fenomenin var olabileceğine dair ilk şüpheler, sanırım şimdi hepsine karşı çıktı ve şimdi hepimiz işlevsel sonuçlar arayışı içindeyiz.

Ve bunun ne anlama gelebileceğine dair çok sayıda hipotez var. Günümüzde karşı karşıya kaldığımız ve baş etmekte çok zorlandığımız bu büyük miktardaki verinin birikimi gerçek ilerlemeyi yansıtıyor mu? Kesinlikle ilerlemeyi yansıtıyor çünkü nöronların, nöron ağlarının ve bir bütün olarak beynin organizasyonu hakkında giderek daha fazla gerçek ve ayrıntı öğreniyoruz.

Ve bu, doğa bilimlerinde uygulanan klasik analitik yaklaşımların gerekli bir sonucudur. Biri bir alt sistemi izole eder ve daha sonra onu daha da ayrıntılı olarak tanımlar. Ancak bu, bilimsel çabanın sadece yarısıdır.

Ayrıca ihtiyacımız olan şey tümevarım stratejisidir. Bu, tüm bu verilerin sentezidir. Ve şimdi karşı karşıya olduğumuz şey, çok büyük miktarda kelimeye sahip olduğumuzdur.

Hatırlaması zor olan muazzam bir kelime dağarcığımız var, ancak bu kelimeleri birçok alanda anlamlı cümleler halinde bir araya getirecek sözdiziminden yoksunuz. Bu, özellikle sistem sinirbiliminde geçerlidir. Bu nedenle, sanırım daha fazla teoriye ihtiyacımız var, çünkü koşullar o kadar karmaşık hale geldi ki, neredeyse sözel betimlemeler muhtemelen artık bu sentetik süreci kavramak veya başarmak için yeterli değil.

Resmi açıklamalara ihtiyacımız var, model oluşturmamıza izin veren analiz araçlarına ihtiyacımız var ve bu çok güçlü hesaplamalar gerektiriyor. Ve tabii ki sentetik düşünürlere ihtiyacımız var. Muhtemelen şu andaki en önemli bileşen budur.

Büyük miktarda ayrıntıyı anlamlı hipotez veya kavramlar halinde bir araya getirebilen insanlar. Şimdi, elbette uygun ortamı sağlayarak bu süreci teşvik edebilir ve dünya çapında, genellikle Hesaplamalı Sinirbilim Enstitüsü veya Teorik Sinirbilim Enstitüsü olarak adlandırılan kurumlar oluşturarak bu tür ortamları sağlama çabaları görülür. Şimdilik, bu yerlerin birçoğu hala iki büyük ayrı ayrı var ve deneysel kurumlarla yeterince bağlantılı değil.

İdeal olarak, teorisyenler ve deneyciler arasında çok yakın bir işbirliği görmek isterdik, tıpkı teorik fizikçilerin ve deneysel fizikçilerin çok yakın bir şekilde özgürce işbirliği yaptığı, veri fikirlerini değiş tokuş ettiği ve bunu kıskançlık olmadan yaptığı fizikte olduğu gibi, ki bu bizim alanımızda hala böyle değil. Ama bence biyoloji artık teorik yaklaşımları anlamlı bir şekilde destekleyecek kadar olgunlaştığı bir eşiğe yaklaşıyor. Ve burada, Frankfurt'ta, Frankfurt İleri Araştırmalar Enstitüsü'nü tam da bu amaçla kurduk çünkü fizikçilerin ve matematikçilerin, genel olarak teorisyenlerin, deney enstitüsüne dahil olduklarında marjinalleştirilme eğiliminde olduklarını deneyimledim.

Konuşacak yeterli meslektaşları yok çünkü biyologlar genellikle kendi dillerinde eğitim almıyorlar. Ve fikir şuydu: Öyle bir enstitü oluşturalım ki, birkaç model sistem, biyolojik model sistemler, ortak noktaları ay sistemi veya beyin gibi sıkıca bağlanmış çok bileşenli sistemlerdir, teorisyenler tarafından incelenir, bu teorisyenlerin bu karmaşık kendi kendini organize eden sistemlerde ortak ilkeleri keşfedebileceklerini ve analitik araçları paylaşabileceklerini umarak, Model oluşturma araçlarını paylaşabilir. Ve bence işe yaradı çünkü yaklaşık bir yıl içinde bu enstitü sıfırdan 120 bilim insanına ulaştı.

Ve bu enstitünün Amerika'daki meslektaşları için şaşırtıcı olmayan, ancak Avrupa'da oldukça istisnai olan özel yapısı, bu enstitünün yalnızca bağışçıların özel fonları tarafından finanse edilmesidir. Bu bir üniversite enstitüsü değil, Frankfurt'taki üniversiteye bağlı, ancak basit bir nedenden dolayı farklı bir şekilde finansmandır, çünkü geleneksel fakülteler içinde böyle disiplinler arası bir girişim kurmak imkansızdı çünkü orada olan şey gerçekten ben disiplin, fakülteleri aşıyor ve sadece dik ve kendi binalarına sahip olmak ve çok farklı ülkelerden gelen insanları bir araya getirmekle gerçekleştirilebilir gibi görünüyor. disiplinleri aynı çatı altında topluyor. Bu terimler başlangıçta fiziksel sistemlerden alınmış olsa da, beynin bazı özelliklerini hala kavrarlar çünkü beyin açıkça kendi kendini organize eden bir sistemdir.

Beyinde tüm dağıtılmış süreçleri koordine edecek bir iletken yoktur. Beyin, genler ve çevre arasındaki etkileşim yoluyla kendi kendini organize eden bir şekilde gelişir. Eğitmen yok, plan yok, a priori yok.

Ve son olarak, bu terim, karmaşık sistemlerde her zaman gözlemlediğimiz şeye, yani karmaşık sistemlerin, bileşenlerin özelliklerinden tanımlanamayan veya çıkarılamayan özellikler sergileme eğiliminde olduğu için çok iyi geçerlidir. Ve beyin bu gerçek için özellikle güzel bir örnektir, ki tüm karmaşık sistemlerden biliyoruz ki beyinde özel bir şey yok. Beyinle ilgili özel olan bir şey, bir yanda maddi süreçlere, üçüncü şahıs bakış açısıyla çevremizdeki herhangi bir başka süreç gibi tanımlanabilecek nöron etkileşimlerine sahip olmamızdır.

Ve bu nöronal etkileşimlerden ortaya çıkan zihinsel fenomenlerdir, duygular, düşünceler, kararlar gibi psikolojik fenomenlerdir. Dolayısıyla, birbiriyle iletişim kuran, birbirini yansıtan, birbirine özellikler atfeden, kişilerin beyinlerinin yerini alabilecek beyinlerin etkileşimiyle ortaya çıkan veya ortaya çıkan sosyal gerçeklikler olarak ele almak istediğim gerçeklikler var, aslında önemli değil çünkü kişiyi kişi yapan şey nihayet bedensel ortamındaki beyindir ve bu etkileşimler nedeniyle gerçek fenomenler olarak kabul edilmesi gereken fenomenler ortaya çıkar. Bunlar gerçekliktir, ancak kökenlerinde onları ortaya çıkaran fenomenler, yani nöronal etkileşimler olarak farklı bir dilde tanımlanmaları gerekir. Ve bu nedenle, bunun karmaşık bir sistem tarafından yeni bir şeyin üretildiği klasik bir ortaya çıkış durumu olduğunu düşünüyorum, hiç kimse nöronların bilgisinden, tam bilgisinden ve hatta nöron ağlarının tam bilgisinden, birbirleriyle etkileşime girdiklerinde değer sistemleri geliştirme yeteneğine sahip oldukları sonucunu çıkaramaz.

Beyinleri onarma çabalarımızdaki ana sorunun, nöronların merkezi sinir sisteminde kolayca yenilenmemesi dışında, bilmediğimiz nedenlerle koptuktan sonra süreçleri uzatmayı sevmemeleridir. Belki de bu tür mekanizmaların gelişimi üzerinde Evo'nun evrimsel bir baskısı yoktu, çünkü gerçekten büyük ölçekte hücre ölümüne yol açan beyin hasarı genellikle hayatta kalma ile uyumlu değildi. Hasar görmüş nöron ağlarının geri yüklenmesindeki en büyük sorun, gelişimsel süreci özetlemenin zor olmasıdır.

Olgun beyin, genler arasındaki diyalog ve gelişim boyunca değişen, giderek daha farklılaşmış hücresel çevre tarafından yönlendirilen, karmaşık bir kendi kendini organize etme sürecinde adım adım gelişen son derece karmaşık bir devre ile karakterize edilir. Ve bu süreç esasen aşağıdan yukarıya bir süreçtir. Periferik yapılar önce olgunlaşır, sonra kritik dönemlerden geçerler ve bağlantı sabitlenir, böylece daha yüksek aşamalar zaten inşa edilmiş olana güvenebilir ve sonra kendilerini zaten orada olanın bir fonksiyonu olarak düzenlerler.

Ve bu süreç insanlarda 20 yaşına kadar devam eder ve sonra devreler kristalleşir ve sonra o anda sahip olduğumuz beyinlerle yaşamak zorunda kalırız. Öğrenme ve nöroplastisite ile daha fazla değişiklik var, ancak bu sınırlı. Şimdi, eğer biri nöronları daha yüksek işlem seviyelerinde değiştirirse, örneğin, kök hücrelerin enjeksiyonu ile ya da zaten bildiğimiz bu nöronlar, farklılaşabilirler, öncüller nöronlar haline gelebilirler, ama sorun şu ki, etkileşime girmeleri gereken ortakları bulacaklar mı?

Akson büyümesine rehberlik eden, belirli bağlantıların oluşumuna rehberlik eden geliştirme sırasında mevcut olan bilgiler hala orada olacak mı? Ve biliyoruz ki, büyük ölçüde, bu bilgi artık mevcut değil, çünkü gerekli işaretleyici molekülleri ifade etmek için ihtiyaç duyulan genler, geliştirme sona erdiğinde kapanıyorlar. Ve muhtemelen gerekli olan şey, sadece nöronlara ve tabii ki ggl hücrelerine farklılaşabilen hücreler sağlamakla kalmayıp, aynı zamanda organizmanın gelişim sürecinde aktif olan genleri açması veya açmasına yardımcı olmasıdır, bu da hücrelere kiminle bağlantı kurmaları gerektiğini söylemek için gerekli olan tüm moleküler mekanizmanın ifadesine yol açar. nereye bağlanmaları gerektiği.

Ve tabii ki kolayca yeniden kurulamayan şey, öğrenme süreçlerinden kaynaklanan tüm kendine özgü kablolama ve sinaptik oyunun ayarlanmasıdır. Yeni entegre olmuş nöronların elbette hiçbir hatırası olmayacak, morfolojiye ve ortadan kaybolan nöronların yapısına ve işlevine damgalanmış deneyimin hiçbir hatırası olmayacak. Bu nedenle, geri yükleme yeteneğinin belirli sınırları vardır.

Ve şu anda fark ettiğimiz gibi, beyinde bunun daha az sorun teşkil ettiği belirli yerler var çünkü doğa, nöronların yaşam boyu yenilenmesini öngörmüş ve görünüşe göre, bu devam eden yenilenmeyi ve nöronların hipokampus ve koku soğancığında olduğu gibi yerleştirilmesini teşvik etmek için gerekli olan mekanizmayı canlı tutmuştur. Ancak bunun muhtemelen büyük sorunlara neden olduğu diğer yapılar, ilk değiştirmeler denenmiş ve henüz tatmin edici olmasa da kesin başarı elde etmiş, topolojik özgüllüğün çok da sorun olmadığı modülatör sistemler. Bu sistemler daha çok, belirli bir uyarılabilirlik oranını korumak için gerekli olan belirli vericileri serbest bırakan endokrin veya parakrin sistemler gibi işlev görüyor.

Bu sistemler daha kolay değiştirilebilir çünkü özgüllük daha az sorun teşkil eder, ancak gelecek oraya ne kadar ilerlediğimizi gösterecektir. Yetişkinlerde büyümeyi engelleyen faktörleri inhibe ederek ve gelişim sırasında harekete geçen ve büyümeyi teşvik eden mekanizmaları aktive ederek birkaç omurilikte okson büyümesinin yeniden kurulmasında kesinlikle çok umut verici yaklaşımlar. Bu alanda cesaret verici başarılar var, ancak nöronal protezlerin nöronal aktiviteyi hala mevcut olduğu yerlerden kaydetme ve daha sonra mekanik cihazlar ve bilgisayar arayüzleri aracılığıyla bu aktiviteyi motor sistem için eyleme dönüştürebilecek aktörleri etkinleştirme seçeneğini de çok ciddiye almak gerekiyor.

Ya da tam tersi, duyusal açıdan, koklear implantlar zaten takdire şayan bir şekilde iyi çalışıyor. Şimdi, retina dejenerasyonu olan kişilerde temel görme fonksiyonlarını yeniden kurmak için retina implantları geliştirme girişimleri var. Ayrıca, retina hücrelerine ışık kapılı demir kanallar yerleştirmek için çok umut verici bir seçenek var, böylece normalde ışığa duyarlı olmayan hücreler, örneğin ganglion hücreleri veya bipolar hücreler ışığa duyarlı hale gelir, böylece prensip olarak, fotoreseptörler dejenere olduğunda kaybedilen bazı işlevleri dizginler, ışık duyarlılığını ikinci veya üçüncü dereceden nöronlara aktararak saklanabilir.

Bu, hayvan deneylerinde zaten mümkündür. Takip etmek için umut verici başka bir yol olabilir. Avrupa'nın kavramların geliştirilmesinde çok güçlü bir geleneğe sahip olduğunu düşünüyorum, 19. yüzyılın sonlarında, daha sonraki deneysel nörobiyoloji için bir dereceye kadar zemin hazırlayan bu ufuk açıcı figürleri yönetiyor.

Aynı zamanda Avrupa'da aktif olan önemli sayıda sistem fizyoloğunun büyük dedeleridir. Sanırım Avrupa'da sistem sinirbiliminde iyi bir gelenek var, her zaman, doğrusal sistemler teorisinin hala zirvede olduğu zamanlarda olmuştur sibernetiğin, Avrupa olarak adlandırıldığı gibi, örneğin rehad gibi çok güçlü birkaç üssü vardı. Sonra, ikonik bir dönüş değil, ama Avrupa'da ve başka herhangi bir yerde moleküler dönüş gibi bir şey vardı, moleküler biyoloji devraldı ve sistem odaklı yaklaşımların çoğunun yerini aldı.

Kısmen başlangıçta bütün hayvanlarla çalışmaktan daha ucuz olduğu için, kısmen de non-invaziv teknoloji mevcut olmadığı ve artık insan deneklerde yapılabilen bazı şeyleri hayvanlarda yapamadığımız için. Ama bence sistem fizyolojisinde güçlü bir rönesans var, her ne kadar Avrupa'da birincil araştırmalar konusunda hayvan korumacılarına karşı sert bir savaş vermek zorunda olsak da, bu gerçekten kritik bir konu. Yapabilen laboratuvarlar, hala primatlarla çalışma lisansını alıyorlar ve hala lisansa sahip olanlar giderek daha az oluyor.

Sahip olduğumuz yerde durum bu, kamusal eleştiriye çok fazla maruz kalıyoruz, ancak yine de sistem sinirbilimi bir rönesans yaşıyor. Ve bence bunun için iyi sebepler var, çünkü nöronların ve küçük devrelerin özellikleri tarafından toplanan çok sayıda veriyi anlamlandırmak için buna giderek daha fazla ihtiyacımız olacak. Ve bu veriler ancak nöronal kodun doğası, beyindeki alanların işbirliği, süreçlerin küresel koordinasyonu, dağıtılmış işleme üzerine sistem sinirbiliminden türetilen kavramlara sahipsek entegre edilebilir.

Tüm bu sorular şu anda hararetli bir şekilde tartışılıyor ve bu hatlar boyunca daha fazla deneye ihtiyacımız var. Ve bence Avrupa bunu yapmak için kötü bir konumda değil. İsrail'in de katkısını, İsrail'deki meslektaşlarımızın kavramsal katkısını da unutmamak gerekir ki bu çok önemli.