Beynin sayısal işlevleri ile ilgili devre modellerinin tasarlanması
Designing circuit models for the numeric functions of the brain and the dyscalculia
Yazar: SERTAÇ ÜSTÜN
Danışman: PROF. DR. METEHAN ÇİÇEK
Ankara Üniversitesi / Sağlık Bilimleri Enstitüsü / Fizyoloji Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2019
Konu: Fizyoloji = Physiology
Dizin: Algı = Perception ; Beyin = Brain ; Diskalkulik = Dyscalculia ; Fizyoloji = Physiology ; Hipokampus = Hippocampus ; Manyetik rezonans görüntüleme = Magnetic resonance imaging ; Sayılar = Numbers

Özet:
İnsan beyninde sayısal çoklukların algılanmasına yarayan çekirdek bir sistem olduğu ve bu sistemin üzerine, eğitimle birlikte, sayısal sembolleri işlemleme yeteneği ve matematik becerilerinin eklendiği düşünülmektedir. Diskalkuli; normal zekâ ve yaşa uygun eğitim alınmasına karşın matematik öğrenmede güçlük olarak tanımlanır. Diskalkulinin nedeni ile ilgili iki temel teori ortaya atılmıştır. Bir teori diskalkuliklerde sayısal çoklukları algılayacak temel mekanizmalarda sorun hipotezlerken; alternatif teoriye göre, diskalkulikler çoklukları algılarken değil sayısal sembolleri işlemlemekte sorun yaşarlar. Sunulan tez çalışmasında sağlıklı ve diskalkulik çocuklarda sayı algısı ile ilgili süreçler işlevsel manyetik rezonans görüntüleme (iMRG) ile incelenmiştir. Çalışmanın ilk aşamasında, 2058 ilkokul 3. sınıf öğrencisi (7-9,5 yaş), matematik testleri ile taranmış ve bu testlerin sonucunda çalışmaya uygun katılımcılar belirlenmiştir. İkinci aşamada, çocuklar iki yıl sonra yeniden matematik testleri, psikiyatrik muayene ve zekâ testi değerlendirmelerinden geçirilmiş, komorbiditeler elenerek diskalkuli (n=12, ortalama yaş: 11,25) ve kontrol (n=15, ortalama yaş: 11,26) grupları belirlenmiştir. Katılımcılara iMRG kaydı sırasında uygulanan paradigmada iki sayı algısı görev durumu (nokta karşılaştırma-sembol karşılaştırma) ve iki zorluk seviyesi (0.5-0.7 oranı) bulunmaktadır. Veriler grup (hasta-kontrol), sayı algısı (sembol-nokta), zorluk (0.5 ve 0.7 oranı) faktörlerini içeren tekrarlayan ölçümler için ANOVA analiziyle incelenmiştir. Çalışmada sayı algısı ana etkisi bilateral intraparyetal sulkus (IPS), sol dorsolateral prefrontal korteks (DLPFK), ve oksipital korteks aktivasyonlarını ortaya çıkarmıştır. Zorluk ana etkisi, sağ hemisferde daha baskın olmak üzere bilateral insular korteks, anterior singulat korteks, IPS ve DLPFK aktivitesi göstermiştir. Grup ana etkisi orbitofrontal korteks, medial prefrontal korteks ve anterior singulat korteksi aktive etmiştir. Grup-görev etkileşiminde hipokampüs aktivasyonu ortaya çıkmıştır. Yapılan ek analizlerde hipokampüsün sadece diskalkuli grubunda ve sadece sembol karşılaştırma görevinde aktive olduğu görülmüştür. Sayı algısı literatüründe IPS çoklukların algılanmasıyla; DLPFK ise çokluklarla ilişkili kognitif mekanizmalarla (dikkat, çalışma belleği vb.) ilişkilendirilmektedir. Zorluk ana etkisinde öne çıkan, insular korteks ve anterior singulat korteksten oluşan nöral ağ, literatürde görev zorluğu ile ilişkilendirilmiştir. Diskalkuliklerde daha fazla görülen frontal aktivasyonun, temel sayı sistemindeki olası bozukluklar sonucunda yüksek bilişsel kontrole ihtiyaç duyulmasıyla ilgili olduğu öne sürülebilir. Diskalkuli grubunda sembol görevinde ortaya çıkan hipokampüs aktivasyonu diskalkuliklerin sayısal sembolleri işlemlemede sorun yaşadığını ve belleğe dayalı telafi edici mekanizmalar geliştirdiklerini gösteriyor olabilir. Sonuç olarak, bulgular sembolik işlemleme ile ilişkili nöral devrelerde bozukluğun diskalkuliye yol açtığı görüşünü desteklemektedir.

Abstract:
It has been suggested that there is a core system in the human brain for perceiving quantities and processing of numerical symbols and mathematical abilities were thought to build upon this core system. Dyscalculia is a learning disability affecting the acquisition of arithmetical skills in children with normal intelligence and age-appropriate education. There are two main theories which try to explain the cause of dyscalculia. One theory suggests a problem with the core mechanisms to perceive quantities are the cause of dyscalculia, while the alternative theory suggests that dyscalculics have problems with processing numerical symbols but not quantities. In this dissertation, the numerical processing of healthy children and children with dyscalculia were examined with functional magnetic resonance imaging (fMRI). In the first stage of the study, elementary school students (N= 2058, age: 7 - 9,5) were scanned with mathematical tests and children that comply with criteria were determined. In the second stage of the study, children were assessed two years later with the math tests, psychiatric examination and also intelligent test. Control (n=15, mean age: 11,26) and dyscalculia (n=12, mean age: 11,25) groups were determined after the elimination of the comorbidities. Participants performed a quantity comparison paradigm in the fMRI with two number conditions (dot -symbol) and two difficulty levels (0.5- 0.7 ratio). The data analyzed with repeated measures ANOVA including group (dyscalculia-control), number (symbol-dot), difficulty (0.5- 0.7) factors. The main effect of number activations was bilateral intraparietal sulcus (IPS), left dorsolateral prefrontal cortex (DLPFC) and occipital cortex. The main effect of difficulty activations was bilateral insular cortex, anterior cingulate cortex, IPS and DLPFC, dominantly in the right hemisphere. The main effect of group activated orbitofrontal cortex, medial prefrontal cortex, and anterior cingulate cortex. Interaction of group and task revealed hippocampus activation. Further analyses indicated that hippocampus activation was specific for the symbolic condition only in dyscalculia group. Perceiving numbers were attributed to the IPS in the number perception literature while DLPFC activation was associated with cognitive mechanisms (attention, working memory) of perceiving numbers. The neural network of the insular cortex and anterior cingulate cortex which was seen in the main effect of difficulty was associated with the task difficulty in the literature. The increased activation of the prefrontal cortex could indicate high cognitive control demands in the dyscalculia group. The hippocampal activation which was seen in the symbolic condition in the dyscalculic group might show that children with dyscalculia have problems with processing numerical symbols and use memory-based compensation mechanisms. Overall, our findings support the view that the problem with neural circuits associated with symbolic processing causes dyscalculia.