Bilim insanları retinadaki gizli elektrik ağını ortaya çıkardı

ABD'li araştırmacılar, gözün görsel bilgiyi beyne aktarma sürecine ilişkin yaklaşık yarım asırlık kabulleri değiştiren yeni bulgulara ulaştı. Neuron dergisinde yayımlanan çalışma, retinadaki görsel sinyallerin daha önce düşünüldüğü gibi birbirinden tamamen bağımsız kanallar üzerinden değil, birbiriyle bağlantılı ve hiyerarşik bir elektrik ağı içinde işlendiğini gösterdi. İnsan görme sistemi; renk, kontrast, hareket ve şekil gibi farklı görsel özellikleri analiz ederken“paralel görsel işleme” adı verilen bir mekanizmadan yararlanıyor. Bilim dünyasında uzun süredir bu sinyallerin retinadan beyne uzanan farklı yollar boyunca birbirinden bağımsız biçimde taşındığı kabul ediliyordu. Yale ekibi ise söz konusu kanalların elektriksel sinapslar aracılığıyla sürekli iletişim halinde olduğunu belirledi.

GÖRSEL KANALLARIN ARASINDA ELEKTRİKSEL BAĞLANTI

Görme süreci, retinadaki çubuk ve koni hücrelerinin ışığı algılaması ve bu bilgiyi bipolar hücrelere aktarmasıyla başlıyor. Bu aşamada görsel bilgi; gün ışığı, gece görüşü, renk ve kontrast gibi farklı özellikleri işleyen bir düzineden fazla paralel kanala ayrılıyor. Yale araştırmacıları, bipolar hücrelerin iletişim kurduğu sinapsları incelediklerinde bu kanallar arasında doğrudan elektrik akımı taşıyan bağlantılar bulunduğunu tespit etti. Hücrelerin mesaj iletmek için kullandığı kimyasal sinapsların yanı sıra “ara bağlantı” olarak da adlandırılan elektriksel sinapsların da görsel kanalları birbirine bağladığı görüldü. Araştırma ekibi, tek bir bipolar hücreyi elektriksel olarak uyardığında etkinin yalnızca bir kanalla sınırlı kalmadığını belirledi. Uyarının komşu hücrelere yayılarak geniş bir aktivite alanı oluşturduğu saptandı.

Çalışmanın lideri Prof. Dr. Z. Jimmy Zhou, daha önce farklı bipolar hücre tiplerinin büyük ölçüde bağımsız çalıştığının varsayıldığını belirterek, BC6 adı verilen özel bir bipolar hücre tipinin bu hücreler arasında hiyerarşik bir ağ oluşturduğunu söyledi. Zhou, “Geçmişte farklı bipolar hücre tiplerinin az çok özerk çalıştığı varsayılıyordu. Ancak biz tüm bu hücre tipleri arasında hiyerarşik bir ağ oluşturan, adeta bir komutan gibi hareket eden BC6 adında özel bir bipolar hücre tipi keşfettik. BC6’dan çıkan sinyaller, organize bir düzende birden fazla görsel yol boyunca yayılıyor” dedi.

SAĞLAM İNSAN RETİNASINDA İLK SİSTEMATİK KAYIT

Bipolar hücrelerin retinanın derin katmanlarında bulunması, bu yapıların doğal ortamlarında incelenmesini uzun süredir güçleştiriyordu. Daha önce yapılan araştırmalarda retinanın dilimlere ayrılması, hücreler arasındaki biyolojik bağlantıların bozulmasına yol açabiliyordu. Yale ekibi, “çift yama kelepçeleme” olarak adlandırılan yöntemi tamamen sağlam fare retinalarında uyguladı. Bu teknik sayesinde iki hücrenin elektriksel etkinliği aynı anda kaydedilerek aralarındaki doğrudan iletişim incelendi. Araştırmacılar daha sonra Yale Patoloji Bölümü’nün Eski Doku Bağışı Programı aracılığıyla elde edilen sağlam insan retinalarında da aynı deneyleri gerçekleştirdi. Böylece insan retinasındaki bipolar hücreler arasındaki elektriksel bağlantılar ilk kez sistematik biçimde kaydedildi. Çalışmanın ilk yazarı Dr. Yao Xue’nin yürüttüğü elektrofizyolojik ölçümler sayesinde insan gözündeki sinyal işleme mekanizması ayrıntılı biçimde haritalandırıldı.

LOŞ IŞIKTA SİNYALLER BİRLEŞİYOR

Araştırma, retinanın özellikle loş ışıkta veya düşük kontrastlı nesneleri algılarken bu elektriksel bağlantı ağından yararlandığını gösterdi. Görsel sinyalin zayıf olduğu durumlarda farklı kanalların bilgiyi ortaklaşa işlemesi, düşük kontrastlı nesnelerin daha kolay algılanmasını sağlıyor. BC6 hücrelerinin yönlendirdiği ağ, farklı bipolar hücre tiplerinden gelen zayıf sinyallerin bir araya getirilmesine imkân tanıyor. Böylece retina, sınırlı ışık koşullarında görsel bilginin kaybolmasını önleyerek daha güçlü bir çıktı oluşturuyor. Araştırmacılar, bu mekanizmanın yalnızca farklı kanallar arasında bilgi paylaşımını değil, görsel sinyallerin belirli bir düzen içinde yönlendirilmesini de sağladığını belirledi.

GÖZ HASTALIKLARI İÇİN YENİ ARAŞTIRMA ALANI

Retinadaki elektriksel sinapsların ve BC6 hücrelerinin işleyişinin ortaya çıkarılması, makula dejenerasyonu, glokom ve doğuştan gece körlüğü gibi hastalıklara yönelik araştırmalarda yeni hedefler sunuyor. Bu hastalıklarda görsel sinyalin retina içinde nasıl işlendiği ve farklı hücre tipleri arasındaki iletişimin ne ölçüde bozulduğu incelenebilecek. Elektriksel sinapsların veya BC6 hücrelerinin işlevini hedefleyen yeni tedavi yaklaşımlarının geliştirilmesi de araştırmanın olası kullanım alanları arasında gösteriliyor. Bulgular, retina hastalıklarında yalnızca tek bir hücre tipine değil, hücreler arasında kurulan elektriksel ağın bütününe odaklanılması gerektiğini ortaya koyuyor.

YAPAY GÖRME SİSTEMLERİNE MODEL OLABİLİR

İnsan retinasının düşük enerjiyle zayıf sinyalleri birleştiren hiyerarşik yapısı, nöromorfik yapay zekâ sistemleri ve kamera sensörleri için de örnek oluşturuyor. Araştırmada ortaya konulan elektriksel ağ modeli, otonom araçlarda ve robotik sistemlerde kullanılan görme sensörlerinin düşük ışık koşullarında daha verimli çalışmasına yönelik yeni tasarımlarda kullanılabilir. Farklı görsel kanallardan gelen bilgilerin tek bir merkezî hücre tipi üzerinden düzenlenmesi, yapay görme sistemlerinde daha düşük enerji tüketimiyle daha güçlü sinyal işleme imkânı sağlayabilecek bir mimari sunuyor. Retinanın merkezi sinir sisteminin doğal bir uzantısı olması nedeniyle araştırmanın, yalnızca göz hastalıklarının değil, insan beynindeki diğer karmaşık sinir ağlarının incelenmesine de katkı sağlaması bekleniyor.