Yakın zamanda geliştirilen bir hesaplama modeline göre, uzamsal navigasyonla ilişkili nöronlar epizodik anıları korumak için de kullanılabilir.
Yaklaşık yarım yüzyıl önce sinirbilimciler, beynin hipokampüsünün belirli konumların anılarını depolamaktan sorumlu hücreler içerdiğini keşfettiler. Ayrıca bu hücreler, epizodik anılar olarak adlandırılan olaylara ilişkin anıların depolanması sürecinde de önemli bir rol oynamaktadır. Yer hücrelerinin uzamsal hafızayı kodlama yöntemi tam olarak tanımlanmış olmasına rağmen, epizodik hafızaları kodlama mekanizması bir gizem olarak kalmıştır.
MIT araştırmacıları tarafından geliştirilen yeni bir modele göre, mekânsal bir bileşen olmadığında bile, yer hücreleri epizodik anılar oluşturmak için işe alınabilir. Bu hipotez, entorinal kortekste bulunan ızgara hücreleriyle birlikte yer hücrelerinin, anıları birbirine bağlı dizilerden oluşan bir ağ şeklinde sabitlemek için kullanılabilecek bir çerçeve görevi gördüğünü öne sürmektedir.
“Bu model, entorhinal ve hipokampus bölgeleri arasında yer alan epizodik bellek devresinin ilk taslak modelidir. Epizodik belleğin özelliklerini anlamak için üzerine inşa edilebilecek bir temeldir. Araştırmacı la Fiete, kendisini en çok heyecanlandıran şeyin bu olduğunu söylüyor.
Biyolojik bellek sistemlerinin bir dizi özelliği model tarafından aslına sadık kalınarak yeniden üretiliyor. Bu özellikler arasında devasa depolama kapasitesi, eski anıların yavaş yavaş bozulması ve hafıza yarışmalarında rekabet eden bireylerin “hafıza saraylarında” muazzam miktarda bilgi depolama kapasitesi yer alıyor.
Izgara hücreleri, tekrar eden üçgenlerden oluşan düzenli bir düzende geometrik olarak gruplandırılmış birçok farklı konumda ateşlenen belirli bir nöron türüdür.
Hipokampüsteki yer hücreleri, uzamsal belleği kodlamak için ızgara hücreleriyle yakın işbirliği içindedir. Izgara hücreleri düzenli bir şekilde yerleştirilir. Izgara hücreleri bir araya getirildiğinde, üç boyutlu bir alanı temsil eden üçgenlerden oluşan bir kafes oluşturur.
Bu hipokampal-entorinal devreler sadece geçmişte ziyaret ettiğimiz alanları hatırlamamıza yardımcı olmakla kalmaz, aynı zamanda bize yeni ortamlarda nasıl dolaşacağımızı da öğretir. İnsan hastalar üzerinde yapılan araştırmalarla, bu devrelerin epizodik anıların oluşumunda önemli bir rol oynadığı tespit edilmiştir. Bu anılar uzamsal bir bileşen içerebilir, ancak esas olarak en son doğum gününüzü nasıl kutladığınız veya bir önceki öğle yemeğinde ne yediğiniz gibi olaylardan oluşur.
Fiete’ye göre, entorhinal ve hipokampus bölgelerindeki aynı devreler sadece uzamsal hafıza için değil, aynı zamanda genel epizodik hatırlama için de kullanılıyor. Burada sorulabilecek soru, “Mekânsal hafıza ile epizodik hafıza arasındaki bağlantı nedir ki aynı devrede yer alıyorlar?” olabilir.
Bu noktada, işlevdeki bu örtüşmeyi açıklamak için sunulan iki fikir var. İlk neden, devrenin uzamsal anıları depolamak üzere tasarlanmış olmasıdır. Bunun nedeni, yiyeceğin nerede bulunduğunu veya avcıların nerede görüldüğünü hatırlamak gibi bu tür anıların organizmanın hayatta kalması için kritik öneme sahip olmasıdır. Bu kavrama dayanarak, söz konusu devre, uzamsal belleğin bir sonucu olarak epizodik anıların kodlanmasından sorumludur.
Konumun birçok epizodik anının bir bileşeni olmasının bir sonucu olarak, alternatif bir hipotez, devrenin yalnızca epizodik anıları depolamak için özelleşmediğini, aynı zamanda uzamsal belleği de kodladığını öne sürmektedir.
Bu çalışmada, Fiete ve meslektaşları üçüncü bir olasılığı ortaya koydu: grid hücrelerinin olağandışı döşeme deseni ve hipokampus ile etkileşimleri, her iki bellek türü, yani epizodik ve uzamsal bellek için eşit derecede önemlidir. Laboratuvarının son on yıldır inşa ettiği ve ızgara hücrelerinin uzamsal bilgiyi nasıl kodladığını taklit eden bilgisayar modellerini temel alarak, yeni modellerini bu modellerin üzerine inşa ederek geliştirdiler.
Fiete’ye göre, “Izgara hücre devresinin mekanizmalarını bir düzeyde anladığımızı hissettiğim noktaya ulaştık” ve sonuç olarak, ızgara hücreleri ile hipokampusu içeren daha geniş devre arasında gerçekleşen etkileşimleri anlamaya çalışmak için doğru an gibi görünüyordu.
Önerilen modele göre araştırmacılar, hipokampüs hücreleriyle bağlantı kuran grid hücrelerinin, epizodik veya uzamsal hafızanın depolanması için bir iskele görevi görebileceğini öne sürdü. Bir “kuyu”, ızgara içinde bulunan her bir aktivasyon kalıbı ile tanımlanır ve bu kuyular düzenli aralıklarla birbirinden ayrılır. Belirli bir hafızanın içeriği kuyularda depolanmaz; bunun yerine her kuyu, hipokampus ve duyusal korteksi birbirine bağlayan sinapslarda depolanan belirli bir hafızaya işaretçi olarak hizmet eder.
Bellek daha sonra parça parça aktive edildiğinde, ızgara ve hipokampus hücre etkileşimleri devre durumunu en yakın kuyuya yönlendirir. Kuyunun dibindeki durum, hafızanın ayrıntılarını doldurmak için duyusal korteksin ilgili kısmına bağlanır. Bu süreç, hafıza parçalı parçalardan tetiklendiğinde meydana gelir. Hipokampus ile karşılaştırıldığında, duyusal korteks çok daha büyüktür ve çok daha fazla bilgi depolama kapasitesine sahiptir.
Hipokampus bir işaretleme ağı olarak kavramsallaştırılabilir ve bu konuda şöyle düşünebiliriz. Fiete, “Kısmi bir girdiye dayalı olarak tamamlanabilen bir indekse benzer ve bu indeks daha sonra bu girdilerin ilk etapta deneyimlendiği yer olan duyusal korteksi işaret eder” diye ekliyor. Sadece bu soyut iskele durumları indeksi iskele içinde yer alır; içeriğin kendisi iskele içinde yer almaz.
Buna ek olarak, sonraki olaylar birbirlerine aşağıdaki şekillerde bağlanabilir: Izgara hücre-hipokampal ağdaki her bir kuyu, bir sonraki kuyuyu etkin bir şekilde aktive etmek için gereken bilgiyi muhafaza eder. Bu, anıların uygun sırayla hatırlanmasını sağlar.
Desenleri saklayabilen ve hatırlayabilen bir sinir ağı türü olan Hopfield ağlarına dayanan mevcut modeller, araştırmacıların geliştirdiği yeni model kadar doğru değildir. Bu model, hafızayla ilgili çeşitli olguları önemli ölçüde daha yüksek bir hassasiyetle kopyalıyor.
Hopfield ağları, nöronlar arasındaki bağlantıları güçlendirerek anıların nasıl oluşturulabileceğine dair bir anlayış sağlamalarına rağmen, biyolojik belleğin nasıl işlediğinin tam bir temsili olmayan bir model sunmaktadır. Hopfield modelleri kullanılırken, her bir anı, kapasitenin dolduğu noktaya kadar tüm ayrıntılarıyla hatırlanır. Bu noktada, yeni anılar yaratmak imkansızdır ve daha da kötüsü, ek anılar eklemeye yönelik herhangi bir girişim, daha önce gelen tüm anıların silinmesiyle sonuçlanacaktır. “Hafıza uçurumu” olarak bilinen olgu, biyolojik beyinde gerçekleşen süreci tam olarak temsil etmemektedir; bu beyin, eski anıların özelliklerini kademeli olarak unuturken aynı zamanda tekrar tekrar yenilerini ekleme eğilimindedir.
Massachusetts Teknoloji Enstitüsü (MIT) tarafından geliştirilen yeni model, fareler çeşitli ortamları keşfedip yiyecek ararken, kemirgenlerdeki ızgara ve hipokampus hücrelerinin onlarca yıllık kayıtlarından elde edilen bulguları yakalıyor. Buna ek olarak, bir bilgi ezberleme yöntemi olan hafıza sarayının kalbinde yer alan mekanizmaların açıklanmasında da yardımcı oluyor. Hafıza yarışmalarında tamamlanması gereken görevlerden biri, bir veya daha fazla kart destesinde karıştırılan kartların sırasını ezberlemektir.
Bunu başarmanın tipik yöntemi, her kartı bir hafıza sarayı içinde belirli bir yere tahsis etmektir; bu bir çocukluk evinin veya aşina oldukları başka bir ortamın anısı olabilir. Kartları hatırlamaları gerektiğinde, zihinsel olarak evin içinden geçerler ve evin içinde ilerlerken her kartı uygun yerde hayal ederler. Mantığa aykırı gibi görünen, kartları konumlarla ilişkilendirmenin hafıza maliyetinin eklenmesi, aslında hatırlamayı daha güçlü ve daha güvenilir hale getiriyor.
Bu da hafıza saraylarının, hafıza devresinin girdileri hipokampüsteki bir iskele ile ilişkilendirme stratejisinden faydalandığını, ancak bir seviye aşağıda olduğunu göstermektedir: daha büyük duyusal kortekste yeniden yapılandırılmış olan uzun süredir edinilmiş anılar artık yeni anılar için bir iskele olarak hizmete sokulabilir.
MIT ekibi tarafından geliştirilen hesaplama modeli bu tür görevleri çok iyi bir şekilde yerine getirebildi. Bu da bir dizide başka herhangi bir durumda akla gelebilecek olandan çok daha fazla sayıda öğenin saklanmasını ve geri getirilmesini mümkün kılıyor.
Araştırmacılar, epizodik hafızaların nasıl kortikal “semantik” hafızaya dönüştürülebileceğini (örneğin, Paris Fransa’nın başkentidir), epizodların nasıl tanımlandığını ve beyin benzeri hafıza modellerinin çağdaş makine öğrenimine nasıl dahil edilebileceğini araştırmak için modellerini geliştirmeyi amaçlıyorlar.
Kaynak: news.mit.edu/2025/how-one-brain-circuit-encodes-memories-places-and-events-0115
