Enstitümüzde yapılan araştırma sonucunda, gözdeki görsel sinir hücrelerinin bilgiyi nasıl işlediğine dair anlayışımızı geliştiren yeni bir istatistiksel test geliştirildi. Murat Okatan, son araştırmasında, görsel uzayın belirli bir alanını kapsayan ve sinir hücrelerinin zamansal etkinlik örüntülerini etkileyen ‘uzay-zamansal alıcı alan’ (STRF) adı verilen anahtar bir kavrama odaklandı. Sinir hücresinin aldığı görsel uyaran ile hücrenin elektriksel etkinliği arasındaki ilişki incelenerek, görsel algının altında yatan mekanizmalar çözülmeye çalışılmaktadır.

Bu araştırma, Okatan'ın 2019 yılında Bilgi ve İletişim Mühendisliği Doktora Programı kapsamında açtığı “Hesaplamalı Sinirbilimi” dersinin bir uzantısıdır.

Okatan, “Dersin ana hedefi, öğrencilerin sinirsel aksiyon potansiyeli katarlarının incelenmesinde çağdaş araştırmalar yapacak düzeye gelmelerini sağlamaktır; bu sinir hücrelerinin STRF'lerinin kestirimi, dersteki ödevlerden birinin konusudur" dedi.

Araştırmacılar, STRF'yi kestirmek için genellikle “ikili sözde-rasgele uyaran dizilerinin aksiyon potansiyeli tetiklemeli ortalaması” adı verilen bir yöntem kullanırlar. Bu yöntem, görsel uyaran olarak bir dizi ikili (siyah-beyaz) örüntü sunulurken, sinir hücrelerinin ürettikleri aksiyon potansiyeli katarlarının kaydedilmesini içerir. Bilim insanları, aksiyon potansiyellerine sabit zaman aralıklarında denk gelen uyaran görüntülerinin ortalamasını alarak, nöronun STRF'sini kestirmektedirler.

Bununla birlikte, şimdiye kadar, kestirilen bu STRF değerlerinin istatistiksel anlamlılığını belirlemek için kesin bir analitik yöntem mevcut değildi. Başka bir deyişle, araştırmacılar, STRF'nin hangi özelliklerinin istatistiksel olarak anlamlı olduğunu güvenle belirlemenin ve bunların deneysel değişkenlerle nasıl ilişkili olduğunu keşfetmenin kesin bir yolundan yoksundu. Yeni geliştirilen istatistiksel anlamlılık testi ise tam olarak burada devreye girmektedir.

Test, aksiyon potansiyellerinin, görsel uyaran değerlerinden istatistiksel olarak bağımsız olduğu (bağımsızlık sıfır hipotezi) varsayımı altında kestirilen STRF piksel değerlerinin dağılımının türetilmesine dayanmaktadır. Araştırmacılar, bu dağılımı anlayarak, STRF'deki hangi piksellerin önemli etkileri temsil ettiğini belirlemelerine izin veren genlik eşiklerini hesaplayabilirler ve bağımsızlık sıfır hipotezini reddedebilirler. Bu, STRF'nin önemli özelliklerini tanımlamaya yardımcı olur ve sinir hücresinin alıcı alan büyüklüğüne ilişkin içgörü sağlar.

Geliştirdiği yöntemin etkinliğini göstermek için Okatan, yöntemi retinadaki fotoreseptörlerden beyne görsel bilgi iletmekten sorumlu olan fare retina ganglion hücrelerinden toplanan aksiyon potansiyeli katarlarına uyguladı. 

Verileri CRCNS.ORG'dan alan Okatan, "CRCNS.ORG gibi veritabanları, birçok farklı türden ve sinirsel alt sistemden toplanan çok büyük miktarlarda yüksek kaliteli verileri sergiledikleri için, Hesaplamalı Sinirbilimi araştırmacıları için altın madeni gibidir" dedi, "Bu veriler mutant ve doğal tip farelerde retina ağlarının yapısını ve işlevini araştıran Lefebvre vd. (2008) tarafından toplanmış ve Zhang vd. (2014) tarafından CRCNS.ORG'a eklenmiş" diye ekledi.

Yeni testin bu verilere uygulanması, STRF'lerin ince yapısını ortaya koymaktadır. Aşağıdaki şekil, bir ON-hücrenin STRF'sinin yapısını göstermektedir; ON-hücre olarak adlandırılmasının nedeni, STRF'nin en sağdaki alt alanının, ışık yoğunluğundaki bir artışa yanıt verdiğini göstermesidir. Yeni geliştirilen test kullanılarak elde edilen sınır çizgileri, istatistiksel olarak anlamlı olan pikselleri kapsamaktadır (P<0.05, iki kuyruklu; Bonferroni düzeltilmiş; ayrıntılar için makaleye bakınız). Bulgular, yalnızca bu hücrelerin görsel bilgileri nasıl işlediğine dair değerli bilgiler sağlamakla kalmayıp, aynı zamanda görsel algı çalışmalarında daha geniş uygulamalar için istatistiksel testin potansiyelini de göstermektedir.

Bir STRF'nin OFF (solda) ve ON (sağda) alt alanlarının ince yapısı, yeni geliştirilen istatistiksel anlamlılık testi tarafından ortaya çıkarıldı. OFF alt alanında gözlemlenen daha yüksek parçalanma düzeyine dikkat ediniz. İlk olarak Springer Nature tarafından Signal, Image and Video Processing, https://doi.org/10.1007/s11760-023-02603-1, 2023'te yayınlanmıştır.

Okatan, "Mutantlar ile doğal türler arasında ayrım yapabilen yeni özellikler bulup bulmayacağımızı görmek için bu testi aynı veri tabanındaki daha fazla sayıda hücreye uygulamayı planlıyoruz” dedi, “Bu testin sinirbiliminde yeni bilgiler elde etmemizi sağlaması çok heyecan verici olurdu" diye ekledi.

Sonuç olarak, uzay-zamansal alıcı alan kestirimi için istatistiksel anlamlılık testinin geliştirilmesi, görsel sinir hücrelerinin ve bunların ağlarının iç işleyişini keşfetmede önemli bir ilerlemedir. Bu araştırma, görsel algıyı araştırmak için yeni yollar açmaktadır ve sinirbilimi, psikoloji ve bilgisayarlı görü gibi alanlardaki ilerlemelere katkıda bulunabileceği öngörülmektedir.

Kaynakça

Lefebvre, J. L., Zhang, Y., Meister, M., Wang, X., and Sanes, J. R. (2008) Gamma-Protocadherins regulate neuronal survival but are dispensable for circuit formation in retina. Development. DOI: 10.1242/dev.027912

Okatan, M. (2023) A statistical significance test for spatio-temporal receptive field estimates obtained using spike-triggered averaging of binary pseudo-random sequences. SIViP. https://doi.org/10.1007/s11760-023-02603-1. SharedIt Link: https://rdcu.be/ddhK1

Zhang, Y., Asari, H., Meister, M. (2014) Multi-electrode recordings from retinal ganglion cells. CRCNS.org. https://doi.org/10.6080/K0RF5RZT