Hayvanlar kokaini kendi kendilerine vermeyi öğrendikçe, beyin hücrelerinden oluşan belirli bir ağ, alışkanlığı kazanmak için hızla genişler ve daha sonra davranış otomatikleştikçe küçülür. Bu ağın bileşimi sürekli olarak değişiyor ve beynin bağımlılık yaratan davranışları nasıl esnek bir şekilde yönettiğini ortaya çıkarıyor. Bu değişen beyin dinamiklerini detaylandıran çalışma‘da yayınlandı.
Madde kullanım bozuklukları sıklıkla ilk öğrenme dönemiyle başlar ve daha sonra derinlemesine yerleşmiş bir alışkanlığa dönüşür. Bu aşamalar arasında geçiş yapmak ayrı bir zihinsel çaba gerektirir, ancak bu geçişi destekleyen fiziksel beyin değişiklikleri hala bir şekilde gizemli kalıyor. Pittsburgh Üniversitesi araştırmacıları Linjie Jin, Xiguang Qi ve Yan Dong, beyin ağlarının bu süreçte nasıl uyum sağladığını anlamak istediler.
Ön beyinde, ödülleri, zevki ve motivasyonu işleyen derin bir bölge olan accumbens çekirdeğine odaklandılar. Bu bölgedeki ana hücrelere orta dikenli nöronlar denir. Bu nöronlar, yiyecek veya ilaç gibi şeylere yanıt olarak elektrik sinyallerini ateşler ve nöron topluluğu adı verilen aktif bir grup oluşturur. Araştırmacılar, bir hayvanın uyuşturucu alışkanlığı edinme aşamasından bu alışkanlığı sürdürme aşamasına geçmesiyle bu topluluğun değişebileceğinden şüpheleniyordu.
Küçük bir çalışmada araştırmacılar erkek farelere kokaini kendi kendilerine vermeleri konusunda eğitim verdiler. Hayvanlar, hayvanların belirli bir eylemi bir sonuçla ilişkilendirmeyi öğrendiği özel test ortamları olan edimsel koşullandırma odalarına yerleştirildi. Bu kutular, biri ilacı dağıtmak üzere programlanmış aktif kol olmak üzere iki kol içeriyordu.
Bir fare aktif kola bastığında, bir ışık parlaması ve bir ses işaretinin yanı sıra kokain infüzyonu aldı. Ekip, on bir günlük bir süre boyunca, hayvanların günlük iki saatlik oturumlardaki davranışlarını kaydetti. Araştırmacılar, hayvanların görevi öğrenirken izlediği fiziksel yolları tam olarak takip etmek istediler.
Video kayıtlarını izlemek için DeepLabCut adı verilen bir makine öğrenimi algoritması kullanarak, test odasında hareket eden farelerin koordinatlarını haritalandırdılar. Eğitimin ilk günlerinde fareler kola basmadan önce rastgele dolaşıyordu. On bir günün sonunda davranışları oldukça tekrarlayan bir rutine dönüştü. Hayvanlar ilacı almadan hemen önce ve aldıktan sonra kalıplaşmış, dairesel yürüyüş modelleri geliştirdiler.
Kaldıraç alanına giriş ve çıkışları oldukça tutarlı bir yol izledi. Bu dairesel hareket modeli, şeker aramak üzere eğitilmiş farelerden oluşan kontrol grubunda görülmedi. Spesifik fiziksel rutin, kokain alışkanlığının zamanla otomatik bir davranışsal tepkiye dönüştüğünü ileri sürdü. Farelerin kat ettiği toplam mesafe de eğitim günleri boyunca arttı; bu, tekrarlanan kokain kullanımının motor aktiviteyi hassaslaştırdığı bilinen bir olguyla örtüşüyor.
Bu alışkanlığın oluşması sırasında beyinde neler olup bittiğini görmek için ekip, in vivo kalsiyum görüntüleme adı verilen bir teknik kullandı. Farelerin beyinlerine, orta dikenli nöronların floresan bir protein üretmesine neden olan özel bir virüs enjekte ettiler. Bu protein, dahili hücresel aktivitedeki değişikliklere tepki verecek şekilde tasarlandı.
Bir nöron bir elektrik sinyali gönderdiğinde kalsiyum iyonları hücrenin içine akar. Tasarlanmış protein bu kalsiyuma bağlanır ve küçük bir ışık parıltısı yayar. Doğrudan beyne implante edilen mikroskobik bir lens, bu flaşları yakaladı ve araştırmacıların, fareler uyanıkken ve hareket ederken bireysel nöronların gerçek zamanlı olarak açılıp kapanmasını izlemesine olanak sağladı.
Araştırmacılar, farenin kokain koluna basmasından hemen sonra belirli bir nöron grubunun beş saniye içinde güvenilir bir şekilde aydınlandığını gözlemledi. Eğitimin ilk üç günü boyunca bu aktif nöronların sayısı hızla arttı. Beyin, yeni ilaç alma kuralını öğrenmek için çok büyük miktarda hücresel kaynağı kullanıyor gibiydi.
Eğitim ilerledikçe ve farelerin fiziksel hareketleri otomatik rutinler haline geldikçe, bu aktif ağın boyutu küçülmeye başladı. Dokuzuncu ve on birinci günlerde yanıt veren nöronların sayısı, birinci gün görülen daha düşük seviyelere geriledi.
Araştırmacılar, her bir nöronun sinyalinin yoğunluğunun tüm deney boyunca tamamen aynı kaldığını belirtti. Beyin hücrelerin hacmini azaltmadı. Bunun yerine, yerleşik alışkanlığı gerçekleştirmek için daha az hücreye ihtiyaç duyuldu.
Bu geniş çaplı işe alım ve ardından budama modeli biyolojik beyinlere özgü değildir. Yazarlar, yapay sinir ağlarının da benzer şekilde öğrendiğini belirtti. Başlangıç eğitimi sırasında, yapay bir ağın boyutunun küçültülmesi, performansına zarar verir ve bu da bir görevi öğrenmek için bol miktarda hesaplama kaynağının gerekli olduğunu gösterir. Ağ eğitildikten sonra, son çıktıyı etkilemeden birçok bağlantı çıkarılabilir.
Ekip ayrıca zaman içinde bu ağı tam olarak aynı hücrelerin oluşturup oluşturmadığını görmek için bireysel nöronları ardı ardına günler boyunca takip etti. Bir test oturumundan diğerine belirli nöronların şeklini, uzaysal konumunu ve aktivite modellerini eşleştirmek için görüntüleme yazılımı kullandılar.
Ağın oldukça akıcı olduğunu buldular. Bir gün kaldıraca basmaya yanıt veren nöronların yalnızca dörtte biri iki gün sonra tekrar yanıt verdi. Bireysel hücreler sürekli olarak aktif gruba girip çıkıyordu. Genel davranışsal çıktı tutarlı kaldı, ancak onu yönlendiren hücresel ağın fiziksel yapısı tamamen dinamikti.
Deneysel tasarım birkaç sınırlama içeriyordu. Görüntüleme süreci yalnızca erkek farelere odaklandı. Araştırmacılar, başa takılan ağır mikroskop ekipmanının daha büyük erkeklerde daha az davranışsal bozulmaya neden olduğunu ve daha istikrarlı bir yanıt oranı elde etmelerine yardımcı olduğunu belirtti.
Çalışma aynı zamanda orta dikenli nöronların farklı alt tipleri arasında da ayrım yapmamıştır. Çekirdek accumbens, kimyasal haberci dopamine farklı tepki veren farklı reseptörlere sahip hücreler içerir. Bazı nöronlar D1 reseptörlerine, bazıları ise D2 reseptörlerine sahiptir. Bu farklı alt türlerin, ödül işleme ve hareket etmede farklı ve bazen karşıt roller oynadığı düşünülmektedir.
Kola basmayı takip eden beş saniyelik pencere, fiziksel basma eylemini, bir işaret ışığının yanmasını ve ilacın kan dolaşımına girdiğinin fiziksel hissini içerir. Tanımlanan nöron ağı muhtemelen bu ayrı uyaranların her birini işleyen birkaç küçük grubun bir bileşimidir. Gelecekteki deneylerde daha fazla sayıda hücrenin izlenmesi, bu örtüşen sinyallerin ayrılmasına yardımcı olabilir.
Bu hücresel ağın sürekli değişen doğası, alışkanlıkların beyinde nasıl depolandığına dair geleneksel fikirlere meydan okuyor. Değişken bir üyelik, istikrarlı bir davranış çıktısını korurken beynin öğrenilen bilgileri sürekli olarak güncellemesine olanak tanıyabilir. Bu hücrelerin esnekliği, bireysel nöronlar etiketlendiğinde bile bağımlılığın sağlam bir şekilde kök salmasını sağlar.
“Kokain Kendi Kendine Uygulama Eğitimi Sırasında Nucleus Accumbens Nöronal Dinamiklerinin İyileştirilmesi” adlı çalışma, Linjie Jin, Xiguang Qi, Jianwei Liu, William J. Wright, Terra A. Schall, King-Lun Li, Bo Zeng, Charles Wang, Lirong Wang ve Yan Dong tarafından yazılmıştır.
Kaynak: Doi
