Sinerjik etkileşimler karmaşık bilişin temel mekanizması mıdır?
Yeni ve daha yayınlanmamış bir makale (preprint), “sinerjik etkileşimlerin karmaşık insan bilişini yürüten ana etmen olduğu” yönünde cesur bir iddiada bulundu. Bu ne demek, ve nörobilim için nasıl bir anlam taşıyor?
Cambridge Üniversitesi’nde çalışan ve makaleyi yazan Andrea Luppi ve arkadaşları, beyin organizasyonunu yeni bir bakış açısı kullanarak inceliyor: beyin bölgeleri arasındaki sinerji. Beyindeki bazı ağlar diğer ağlardan daha sinerjik ve bu sinerjik ağlar karmaşık bilişte rol oynamaya daha fazla meyilliler.
Peki sinerji nedir?
Luppi ve diğerleri, sinerjiyi MMI-PID adı verilen matematiksel sistemi kullanarak açıklıyor. Bu sisteme göre, iki değişken arasında öyle bir sinerjik etkileşim bulunur ki, bu iki değişkenin gelecekteki durumları yalnızca ikisinin birden geçmişteki durumlarından yararlanılarak tahmin edilebilir, sadece bir değişkenin geçmişteki durumu bir tahmin yapmaya yetmez.
Örneğin, uzayda hareket halinde olan iki top düşünün. Bu iki top çarpışabilir de, çarpışmayabilir de. Eğer topların ikisinin de anlık yörüngesini biliyorsak ileride ne olacağını tahmin edebiliriz – çarpışmalar dahil. Ancak sadece bir topun yörüngesini biliyorsak, topların hiçbirinin izleyeceği yolu tahmin edemeyiz, çünkü çarpışma olup olmayacağını öngöremeyiz.
Bunu nörolojik açıdan açıklarsak; eğer beynin iki bölümü arasında yüksek sinerji (sinerjik etkileşim) mevcutsa, düz mantıkla bu iki bölge arasında karmaşık iki yönlü etkileşimlerin meydana geldiğini söyleyebiliriz – ancak istisnalar için yazının devamını okuyun.
Luppi ve diğerlerinin yaptığı şey, beyni 232 bölgeye ayırmak, ve İnsan Konnektom Projesi’nin (Human Connectome Project) dinlenme hali fMRI verilerini kullanarak her bölge çifti için iki aktivite süreci arasındaki sinerji derecesini hesaplamak. Ardından, her bir bölge için, o bölge ve diğerleri arasındaki ortalama sinerjiyi hesaplıyorlar.
Luppi ve diğerleri, aynı şekilde, kabaca sinerjinin tersi olarak tanımlanabilen “artıklık” (redundancy) olayını da inceledi. Bir çiftteki iki değişkenin her biri, çiftin gelecekteki durumuyla ilgili birbirleriyle aynı bilgiyi sağlıyorsa, bu iki değişken artıktır.
Aşağıda gördüğünüz figür, sinerji – artıklık haritası. Beyinde yüksek sinerjiye ve düşük artıklığa sahip olan bölgeler kırmızı ile yüksek artıklığa sahip olan bölgeler ise mavi ile belirtilmiş.
Sinerji – Artıklık derecesi değişimi
Luppi et al. (2020) biorXiv “İnsan beyninin evrimi ve bilişi için bir sinerjik merkez”
Bu harita, makalenin temelini oluşturuyor. Makalenin geri kalanı genel olarak bu figür hakkındaki yorumlardan oluşuyor, ve bu sinerji – artıklık haritası ile kompleks bilişsel fonksiyon haritası, sinapsların yoğun olarak bulunduğu bölgelerin haritası, gen ekspresyonu haritaları, ve insanlar ve şempanzelerin genişleyen beyin bölgelerini karşılaştıran harita gibi diğer haritaların benzerliğine dikkat çekiyor. Burada ima edilen, sinerjinin yüksek beyin fonksiyonuyla bir ilişkisi olduğu:
Sinrejik etkileşimler, ideal şartlarda geniş çaplı bir çalışma alanı olarak işlev görür, ve yüksek bilişsel fonksiyonlara hizmet etme amacıyla beynin her bir tarafından gelen tamamlayıcı bilgilerin birleştirilmesini sağlar.
Bu, birçok farklı veri kümesini birleştiren, çok etkileyici bir çalışma. Luppi ve diğerleri, beyinde sinerjik etkileşimlerde görev alan bölgelerarası bir ağ olduğu yönünde güçlü bir argüman sunuyor. Ama sinerji tam olarak ne demek?
Daha önce de bahsettiğim gibi, sinerji, beyinde herhangi iki bölge arasında doğan karmaşık ortak etkileşimin bir ölçüm birimi olarak görülebilir. Ancak, bu her ne kadar ilgi çekici bir açıklama gibi görünse de, tam olarak doğru olmayabilir.
Örneğin, eminim ki hiç sinyal göndermeyen iki alan arasında bile sinerjik etkileşim bulunabilir. Bu, bahsi geçen alanların ikisi de etkileşim içinde bulunan diğer alanlardan sinyal alıyorsa mümkün olur.
Bu olayın özüne inmek için Luppi ve diğerleri, araştırmalarını aynı anda ikiden fazla bölgeyi değerlendirecek şekilde genişletebilir. (Araştırmaları 232 bölge içermekte, ancak bildiğim kadarıyla bir seferde yalnızca iki bölge arasındaki ilişkiyi inceliyorlar, yani ikişer ikişer).
Bunları hesaplamak için üretilmiş çok değişkenli Granger nedensellik testi gibi matematiksel araçlar da mevcut. (ayrıca bkz)Bu ve benzeri metodlar hangi beyin bölgesinin gerçekten sinerjik etkileşimleri yürüttüğünü belirlemeye yardımcı olabilir.
Bu etkileşimlerin bilişsel fonksiyonlardaki görevini belirlemek için aynı metodu bilişsel aktiviteler gerçekleştirilirken kaydedilmiş fMRI verileri ile tekrarlamak faydalı olabilir. Karmaşık bir görev yerine getirirken sinerjik etkileşimlerde artış meydana gelir mi?
Cemre ÇAYIR