Üzerinde Çalışılan Mesele: Beynin Işık Yayması
Hayatın her süreci, moleküllerin fazladan enerji atması ile fotton yayar. Bu fenomen, insan gözünün algılayabileceğinden yaklaşık bir milyon kat daha düşük seviyelerde olduğu için, araştırmacılar buna ultra-zayıf foton yayılımı (UPE) adını verdiler. Beyin , olağanüstü yüksek bir metabolik bütçe tükettiğinden ve flavinler ile serotonin gibi fotokimyasal bileşikler barındırdığından, bilim insanları uzun süredir başka organlardan daha parlak bir şekilde parlayabileceğini düşünüyordu.
Ancak araştırmacılar, bu hayalet gibi parlayan ışığın, gerçek zamanlı sinir faaliyetini ortaya koyacak şekilde dalgalanıp dalgalanmadığını bilmiyorlardı.
Laboratuvara Dönüşen Karanlık
Bu merakın cevabını bulmak için, Algoma Üniversitesi , Tufts Üniversitesi ve Wilfrid Laurier Üniversitesi ’nden oluşan bir ekip, 20 sağlıklı yetişkinle bir ışık sızdırmaz odada deney yaptı. Katılımcıların kafasının arka (oksipital) ve yan (temporal) bölgelerine doğru iki fotomultiplayır tüpü yerleştirildi ve üçüncü bir tüp, arka plandaki karanlığı izledi.
Aynı zamanda, araştırmacılar gönüllülere standart bir elektroensefalografi (EEG) kaskı takarak elektriksel ritimleri herhangi bir optik ritimle karşılaştırdılar. Deney, on dakika sürdü ve gözlerin açık olduğu, kapalı olduğu, tekrarlayıcı bir ton dinlendiği, yeniden kapalı olduğu ve sonunda gözlerin tekrar açık olduğu beş basit koşul üzerinden döngü yaptı. Her koşul iki dakika sürdü ve araştırmacılar, beyin ışığının sabit bir sinyale yerleşmesi için yeterli zaman sağladılar.
Beyin Parlaması Bir Ritme Uygun
Araştırma ekibi, Hayley Casey ve Nirosha Murugan liderliğinde, fotonların aşırı sönüklüğüne rağmen beyinden kaynaklanan ışığı, arka plandaki sayımlardan ayırmayı başardı. Kafatasındaki sinyalin daha yüksek bir entropi gösterdiği ve karanlık gürültü ile karşılaştırıldığında daha zengin bir dalgalanma meydana getirdiği tespit edildi. Spektral analiz, bu salınımların bir Hertz altında, yani çok yavaş frekansta yükselip alçaldığını gösterdi. Bu, bir döngünün her bir ila on saniye arasında gerçekleştiği anlamına geliyor.
Bu düşük frekanslı “kalp atışı”, görsel girişi işleyen oksipital korteks üzerinde en güçlü şekilde ortaya çıktı. Önemli bir bulgu olarak, foton akışının her iki dakikalık blokta tekrarlanabilir bir dengeye ulaştığı ve görev değiştiğinde kaydığı görüldü. Bu düzen, ışığın rastgele bir metabolik gürültü değil, beynin anlık durumunu yansıttığını güçlü bir şekilde öneriyor.
Gözler Kapalıyken, Fotonlar Yükseliyor
Gözlerin kapatılması, görsel kortekste alfa dalgası elektrik ritimlerini (8-12 Hertz) artırdığı biliniyor. Yeni çalışma, oksipital foton sayılarının bu durumlarla paralel olarak değiştiğini ortaya koydu. Bazı katılımcıların foton yayılımları gözler kapalıyken yükselirken, bazıları düşüş gösterdi. Bununla birlikte, her birey, iki göz kapalı blok boyunca tutarlı bir yön gösterdi.
Oksipital UPE, EEG ile ölçülen alfa gücü ile de mütevazı ilişkiler gösterdi; bu da optik sinyalin sinir dinamikleri ile bağlantılı olduğunu göstermekte. Ancak, bu ilişki karmaşıktır ve daha fazla araştırma gerektirmektedir. Sesli uyarıcı ise daha ince etkiler yarattı. Temporal sensör, belirli EEG ritimleri ile ilişkili foton değişikliklerini algıladı. Bu, ses işleme ile ilişkili metabolik değişimlerin de fotonik bir parmak izi bıraktığını düşündürüyor.
Gelecek Araştırma Yönleri
Pilot çalışma sadece 20 kişiyi örneklemiş olup, yalnızca iki kafa derisi bölgesini izlemiştir. Fotomultiplayır tüpleri, görülür ve yakın-kızılötesi fotonları sayarak, beyin kimyasının ince renk kodlamasını gürültü içinde boğmuştur. Gelecekteki aygıtlar, mekansal ve spektral detayları yakalamak için dar bant dedektörleri kullanacak ve kafatası okumalarını non-nöral dokulardan alınan eşzamanlı ölçümler ile karşılaştırarak özgüllükleri doğrulamayı planlayacak.
Beynin Neden Parladığı
İlerlemenin yanı sıra, çalışma, UPE patlamalarını mitokondrilerdeki reaktif oksijenin patlamaları ile ilişkilendiren çalışmalardan oluşmaktadır. Bu yan ürünler biyomolekülleri uyarabilir; moleküller rahatladığında fotonlar salar. Bu durumda, hafif ışık, beynin redoks dengesi hakkında bir iç rapor olarak işlev görebilir. Elektrik ritimleri, bir yüzyıl önce nörobilim alanında devrim yarattı; işlevsel MRI ise 1990’larda benzer bir etki yarattı. Photoencephalography, hala emekleme aşamasında olmasına rağmen, bir başka kapı açmaktadır. Enerji veya kontrast maddeleri enjekte etmeden doğrudan hücrenin metabolik motoruna bakar. Şu anki çalışma, bu sinyalin varlığını kanıtlayıp, zihinsel durumla değiştiğini ve arka plandaki gürültüden farklı olduğunu gösterme yolunda ilk adımı atmıştır.
