Beyin nedir, nasıl çalışır?

İnsan beyninin nasıl çalıştığını anlamak mümkün mü? Yani acaba çevremizde algıladıklarımız gerçekte bizim algıladığımız gibi mi veya her birimiz çevremizi aynı mı algılıyoruz? Mutluluk ya da heyecan hepimiz için tıpatıp aynı duygular mı? Aynı gülü koklayan iki kişinin beyninde tıpatıp aynı şeyler mi olup bitiyor? Düşünce somut bir şey mi, klavyemin tuşlarını düşünceyle hareket ettirebilir miyim? Bu tür sorular hiç yersiz değil, çünkü hiçbirinin yanıtı tam olarak verilebilmiş değil.^[2]Sarkaç’ta bilinç ve bilinci açıklamaya çalışan kuramları anlatan bir yazı serisi:

Sayood, K. (2021) Bilinç nedir?, https://sarkac.org/2021/11/bilinc-nedir-2/

Sayood, K. (2021) Bilinç Kuramı 1: Ortak Nöronal İşlem Alanı Teorisi,  https://sarkac.org/2021/11/bilinc-kurami-1-ortak-islem-alani-teorisi/

Sayood, K. (2021) Bilinç kuramı 2: Bütünleşik Enformasyon Kuramı, https://sarkac.org/2021/11/bilinc-kurami-2-butunlesik-enformasyon-kurami/

^[3]Kıymaz, T. (2021) Bilim bilinci açıklayabilir mi?, https://sarkac.org/2021/12/bilim-bilinci-aciklayabilir-mi/

Beynin nasıl çalıştığını anlayabilmek 21. yüzyılın en önemli hedeflerinden birisi. Beynimiz, vücut ağırlığımızın %2’si kadar, yani yetişkin bir insanın beyni neredeyse 1,5 kg. Bu kadar küçük bir organın harcadığı enerji ise devasa, öyle ki divana yayılıp bir ısırık aldığımız çikolatanın verdiği enerjinin beşte biri doğrudan beyne gidiyor. Beynimizin bu kadar enerji harcamasının nedeni çılgın karmaşıklıkta bir ağ olması ve durmadan işlemesi.

Yaygın olarak söylenen, beynin %10’unu kullanıyoruz bilgisini duymuşsunuzdur, bu doğru değil. Tüm bölgeleri aynı anda kullanmasak da beynimizin tamamını kullanıyoruz.  Çok duyulan ama doğru olmayan bir başka bilgi de daha büyük beyinli canlıların daha zeki olduğu. Mesela, vücut ağırlığıyla oranladığımızda farelerin beyni bize göre daha büyük fakat bu durum onları bizden daha zeki kılmıyor. Beyin büyüklüğü ve zekâ arasındaki ilişkinin sanıldığı gibi basit bir doğru orantı ile açıklanamadığı son yıllardaki çalışmalarla ortaya konuyor.^[4]Smaers, J.B. ve ark. (2021) The evolution of mammalian brain size, Science Advances, 7, No.19, https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abe2101 Beynin dış katmanına korteks, birbirleriyle bağlantı halindeki beyin hücrelerine nöron deniyor. Korteks’in kıvrımlılığının artması, nöron başına bağlantı sayısının artması, yüksek bilişsel süreçleri kontrol eden beyin bölgelerinin gelişmişliği gibi faktörler, bir organizmanın ne kadar zeki sayıldığını etkiliyor.

İnsan beyninde 85 milyar civarında nöron var,^[5]Azevedo, F. A. C., Carvalho, L. R. B., Grinberg, L. T., Farfel, J. M., Ferretti, R. E. L., Leite, R. E. P., Filho, W. J., Lent, R., & Herculano-Houzel, S. (2009). Equal numbers of neuronal and nonneuronal cells make the human brain an isometrically scaled-up primate brain – PubMed. The Journal of Comparative Neurology, 513(5). https://doi.org/10.1002/cne.21974 neredeyse galaksimizdeki yıldızlar kadar! Herhangi bir anda bunların küçük bir kısmını bilinçli faaliyetlerimiz için kullanıyoruz ama çok büyük bir kısmı bizim farkında bile olmadığımız bilinçaltı süreçler için aktif halde bulunuyor.  Nöronların her biri on biner küsür farklı nöron ile bağlantı halinde ki bu bağlantıların bir kısmı aktifleştirici bir kısmı da baskılayıcı. Böylesine karmaşık bir sistemin haritasını çıkarmanın ne kadar zor olduğunu hayal edebiliyor musunuz? 

Elbette bununla uğraşan araştırmacılar var. Avrupa Birliği desteğiyle 10 yıldır devam eden ve birçok ülke, kurum ve insanın katkı yaptığı bir “büyük bilim projesi” olan İnsan Beyni Projesi (Human Brain Project) ve Amerikan Sağlık Enstitüsü (NIH) desteği ve önderliğinde yürütülen Connectome projeleri ilk akla gelenler.

Bu kadar karmaşık bir sistemin verisi de çok büyük. Harvard Üniversitesi’ndeki araştırmacılar insan beyninden 1mm³’lük bir doku parçasını elektron mikroskobuyla katman katman incelemişler, elde edilen veri 1,4 petabayt (1 petabyte yaklaşık 1 milyon gigabayt demek!) yer tutmuş.^[6]A connectomic study of a petascale fragment of human cerebral cortex, https://vcg.seas.harvard.edu/publications/a-connectomic-study-of-a-petascale-fragment-of-human-cerebral-cortex

Beynin bölümleri

Beyin dendiğinde ilk aklımıza gelen kıvrımlı, iki lobu olan yapıya cerebrum deniyor. Cerebrum kelimesi Latince’den geliyor. Duygulardan duyulara, isteyerek bilerek yaptığımız hareketler de dahil bir çok şeyin kontrolü cerebrumda. Yani mesela tenis oynayacaksak ağırlıklı olarak cerebrum sayesinde oynuyoruz. Tam merkezindeki küçük odacığa talamus deniyor, beynin çeşitli bölümlerinden gelen sinyaller burada tasnif ediliyor ve yorumlanabilmeleri için ilgili yerlere gönderiliyor. Bu yapının hemen altındaki küçük odacık ise hipotalamus; vücut sıcaklığı, uyku uyanıklık döngüsü gibi otonom fonksiyonlardan sorumlu ve özellikle hafıza oluşumunda önemli bir rolü var.

Duygularımızın kontrolü genel olarak limbik sistem denilen bölümde gerçekleşiyor. Duygusal tepkilerin ve hafızanın düzenlendiği amigdala ve hipokampüs de limbik sistemde bulunuyor.

Cerebrumun hemen arkasında ve altında cerebellum var, Latince’de “küçük beyin” demek ya da Türkçe’de kullandığımız şekliyle beyincik.  Beyincik, zamanında öğrenip artık düşünmeden otomatik pilotta yapabildiğimiz hareketleri kontrol ediyor. Mesela, usta bir şoförün araba kullanırken vitesi, düşünmeden değiştirmesi gibi.

Beyincikten omuriliğe doğru ilerleyince ise beyin soğanı geliyor, nefes almak, kalbimizin atması gibi tamamen bilinçsiz yaptığımız şeylerin kontrolü de burada sağlanıyor.

Beyni nasıl görüntülüyoruz?

Günümüzde nörolojik anomalileri ya da sağlıklı beyni görüntülemek için birçok yöntem mevcut.

Görüntüleme denince ilk akla gelen röntgen, kafatasının kemik yapısı X ışınlarını bloke ettiği için, beyni incelemede pek işe yaramıyor. Beyin sarsıntısı şüphesiyle hastaneye başvurursanız, doktorunuz büyük olasılıkla bilgisayarlı tomografi çekilmesini isteyecektir. Bu teknikte beyin X-ışınlarıyla katman katman taranıyor. Katmanlar, bilgisayar programıyla birleştiriliyor, böylece beynin nispeten detaylı üç boyutlu görüntüsü elde ediliyor.

Elektroensefalografi (EEG) kafa derisine yapıştırılan elektrotlar sayesinde beyinde gerçekleşen elektriksel aktiviteyi grafik forma dönüştürüyor. Böylece beyin aktivitesini görüntülemek ve normal dışı bir durum olduğunda tespit etmek için kullanılabiliyor. EEG çıktısındaki sıra dışı dalgalanmalar ya da sıçramalar görülmesi, örneğin epilepsi veya uyku bozuklukluklarına işaret edebiliyor.

Pozitron Emisyon Tomografisi (PET) kişiye damardan verilen radyoaktif glikozu takip ediyor. Beyin bol glikoz tüketen bir organ olduğu için glikozun dağılımı izlenerek beynin işleyişinde sıra dışı bir durum var mı kontrol edilebiliyor. Örneğin kanserli hücreler normal hücrelere göre daha fazla enerji tükettikleri için glikozun bir noktada anormal yoğunlukta olması, orada bir tümörün varlığına işaret edebiliyor.

Sıkça duyduğumuz bir diğer yöntem, Manyetik Rezonans Görüntüleme, MR ya da MRG; Türkçe okunuşuyla Emar. Bu yöntemde hasta dev mıknatısların oluşturduğu güçlü bir manyetik alanın içine sokuluyor. Manyetik alan hidrojen atomlarının davranışını değiştirdiği için, görüntülenen bölgede ne kadar çok hidrojen atomu varsa o kadar çok sinyal tespit ediliyor. Hidrojen suyun çok olduğu yerlerde olacağına göre kemik ve dişler gibi az sulu yerler koyu renk (siyah) görünüyor. MR ile beyin hasarı, kanamalar veya damar hasarları tespit edilebiliyor.

MR’ın beynin işleyişini anlamamıza önemli katkısı olan ve dolaylı olarak beyin aktivitesini ölçmemize yarayan versiyonuna Fonksiyonel Manyetik Rezonans Görüntüleme (fMRG) deniyor. Bu yöntemi hastane dizilerinde mutlaka görmüşsünüzdür; cihaz, kanda oksijen taşıyan hemoglobin molekülündeki hidrojen atomlarının güçlü manyetik alana tepkisini takip ediyor. Kişinin hareketi, diyelim ki sağ elini kıpırdatması, beyninde hangi nöronları çalıştırıyorsa, o nöronlarda daha fazla oksijen harcanacağı için sinyal tespit ediliyor. Bu sayede beynin farklı bölgelerinin işlevini anlayabiliyoruz.

fMRG çok heyecan verici bir yöntem olmakla beraber, ortaya çıkan görüntüleri hatasız yorumlamak birkaç sebepten dolayı zor. Birincisi deneğin sadece belirlenen hareketi yaptığından emin olmak zor, örneğin aynı anda bir koku alabilir veya aklına bir şey gelebilir. İkincisi sinyal eşiğini iyi belirleyebilmek, diğer bir deyişle gerçek sinyali gürültüden ayırt edebilmek zor.  fMRG veri yorumlamadaki bu zorluklar, araştırmacılar arasında şaka konusu bile olmuş. Nörobilimci Craig Bennet ve meslektaşları, ölü bir somon balığını fMRG ile inceliyorlar. Hazırladıkları buram buram kuru mizah kokan bilimsel posterde, ölü bir somon balığının beyninde tespit ettikleri sinyalleri gösteriyorlar. Ölü bir balığın beyninde aktivite olamayacağına göre fMRG’de yanlış pozitif sinyal görmenin ne kadar kolay olduğunu göstermiş oluyorlar. Doğru istatistiksel analiz için mutlaka yapılması gereken standart uygulamaları hatırlatıyorlar.^[7]Bennett, C., Miller, M., & Wolford, G. (2009). Neural correlates of interspecies perspective taking in the post-mortem Atlantic Salmon: an argument for multiple comparisons correction. NeuroImage, 47, S125. https://doi.org/10.1016/s1053-8119(09)71202-9

Genetik müdahaleler ile işleyen çok heyecan verici beyin inceleme yöntemleri de var. Bunlar hücresel ölçekte inceleme yapabilmemize olanak sağlıyor.  2010’da Nature dergisi tarafından yılın yöntemi seçilen Optogenetik alanındaki çalışmalarda özel nöron grupları genetik müdahaleyle ışığa duyarlı hale getiriliyor. Beyne dışardan ışık tutulduğunda bu nöronlar aktive oluyor ve böylece genetiği değiştirilmiş nöronların beynin işleyişine ve davranışlara etkisini öğrenebiliyoruz.^[8]Optogenetics: A light switch for neurons, https://www.youtube.com/watch?v=0jX8hSWQMkA

Aşağıdaki videoda farenin avlanma içgüdüsüyle ilgili nöron grupları ışığa duyarlı olarak modifiye edilmiş. Fare normalde dal parçasıyla hiç ilgilenmiyor ancak beyni ışık ile uyarıldığında dala adeta  saldırıyor.^[9]Han, W., Tellez, L. A., Rangel, M. J., Motta, S. C., Zhang, X., Perez, I. O., Canteras, N. S., Shammah-Lagnado, S. J., van den Pol, A. N., & de Araujo, I. E. (2017). Integrated Control of Predatory Hunting by the Central Nucleus of the Amygdala. Cell, 168(1–2), 311-324.e18. https://doi.org/10.1016/j.cell.2016.12.027 Optogenetik terapiyle 2021’de görme engelli bir hastanın kısmen görmesi de sağlanmış.^[10]Sahel, JA., Boulanger-Scemama, E., Pagot, C. et al. (2021) Partial recovery of visual function in a blind patient after optogenetic therapy. Nat Med 27, 1223–1229 . https://doi.org/10.1038/s41591-021-01351-4

Başka bir ilginç çalışma da beyindeki nöronları görüntüleme çalışmalarına renk katan Brainbow.  Deneğin genomuna denizanalarından alınan bazı genler ekleniyor. Farenin değiştirilmiş genlerinin ürettiği floresan (yani ışık saçan) proteinler nöronları farklı renklere boyuyor ve başlık görselindeki gibi görüntüler elde ediliyor.^[11]Brainbow, Harvard Brain Tour, https://braintour.harvard.edu/archives/portfolio-items/brainbow

Beyin hücreleri ve sinir sistemi

Beynimiz de vücudun geri kalanı gibi hücrelerden oluşuyor. Ama beyinde özel hücreler var, bunlardan adını daha sık duyduklarımıza nöron deniyor.  Diğer hücrelerimizle karşılaştırdığımızda nöronların görüntüsü de işleyişi de farklı. Yuvarlak bir keseden ziyade, bir ahtapota benziyorlar. Çekirdeğin bulunduğu baş kısma soma deniyor. Nöronlarda somadan dışarıya doğru uzayan kollara dendrit, somadan başka nöronlara doğru uzayan ince uzun kola akson deniyor. Akson adı üstünde akson ucuyla son buluyor. Dendritler ve akson uçları dinamik bir şekilde etkileşip ayrılabiliyorlar, bu şekilde beyinde milyonlarca bağlantı kuruluyor. Bağlantı noktalarına sinaps adı veriliyor.

Sinir sistemi nöronlardan ibaret değil, sayıları en az nöronlar kadar çok ikinci tip bir hücre daha var bunlara glial hücre deniyor. Glial hücrelerin de uzantıları var ama akson ve dendritleri yok. Bu hücreler araştırmalarda uzun süre nöronların gölgesinde kalmış, sayıları, ne işe yaradıkları konusunda tartışmalar bilim dünyasını epey meşgul etmiş. Önceleri glial hücrelerin fonksiyonu daha çok nöronlara fiziksel ve metabolik destek sağlamak sanılıyormuş, daha sonra glial hücrelerin de haberleşme ağına dahil oldukları fark edilmiş. Glial hücreler hakkındaki çalışmalar sayesinde örneğin akupunkturun neden acıyı giderdiğine dair bir mekanizma öne sürülebilmiş.^[12]Ceruti, S.(2021) From astrocytes to satellite glial cells and back: A 25 year-long journey through the purinergic modulation of glial functions in pain and more, Biochemical Pharmacology, Volume 187.

Nöron devreleri

Sinir sistemimiz, nöron devrelerinin oluşturduğu dev bir ağdır. Ağı oluşturan en basit devreyi tarif etmek için diz refleksimizi ele alalım. Doktor, çekiçle dizimize vurduğunda duyu nöronlarımız fiziksel baskıyı elektrik sinyaline çevirir ve omuriliğimizdeki aracı nörona iletir, onlar da motor nöronlar vasıtasıyla tepki sinyalini alt ve üst bacaktaki kaslara iletirler böylece bacağımız istem dışı bir tekme atar. Bu basit ve hızlı devre sadece üç tür nörondan oluşur. Dikkat ettiyseniz, sinyalin beyine gitmesi gerekmedi. Bu çok hızlı olması gereken reflekslerimize has bir durum. Refleksler dışındaki sinyaller beyine gider.

Sinyalin nöron içinde ilerleyişi

Bir nöron, doktorun dizimize vurması sonucu oluşan fiziksel baskıyı nasıl elektrik sinyaline dönüştürebilir? Cevap: İyonlar sayesinde.

İyon, yüklü atom demek: sodyum iyonu (Na+) veya potasyum iyonu (K+) gibi. İyonlar tüm vücutta hücrelerin içinde ve dışında farklı konsantrasyonlarda bulunurlar. Örneğin, hücre zarının içi K+ açısından zengin, dışı Na+ açısından zengindir. İçerisi ve dışarısı arasındaki bu konsantrasyon dengesizliği, dinlenme halindeki bir hücre tarafından mahsus ve hatta biraz zorla muhafaza edilir.

Bir uyarı geldiğinde, örneğin çekiç dizimize dokunduğunda, nöron zarlarında bulunan iyon kanalları açılır. Örneğin sodyuma özel iyon kanalları açıldıysa, hücre dışında bol miktarda bulunan sodyum iyonları konsantrasyon farkından ötürü kanallardan içeriye doğru akmaya başlar. Bu hareket sonucu zarın iç tarafındaki artı yük artar. Aynı nöronun somasına eş zamanlı olarak birçok farklı bağlantıdan gelen sinyaller sonucu oluşan elektriksel gerilim (voltaj), aksonun başına belli bir eşik değere erişmiş olarak aksederse, bu sefer aksondaki “voltaja duyarlı sodyum iyon kanalları” açılmaya başlar ve akson boyunca ilerleyecek elektriksel bir sinyal oluşur; bu sinyale aksiyon potansiyeli denir.  Sinyal, akson ucuna geldiğinde iki nöron arasında sinaps denilen aralıktan, bir sonraki nörona aktarılır. Elektriksel sinyal birazdan anlatacağımız gibi komşu nörona bir molekül aracılığıyla yani kimyasal olarak iletilir.

Nörondan nörona sinyal geçişi ve nöroileticiler

Sinyalin iletildiği yönde peşpeşe iki nöron düşünün. Bir numaralı nörondan gelen sinyal, akson ucundan sinapsa bir takım moleküllerin salınmasını sağlar. Bu moleküller sinaps aralığında bir an süzülür, iki numaralı nöronun dendrit zarlarında bulunan alıcılar, yani reseptörler tarafından yakalanırlar. Bu özel moleküllerin alıcıya bağlanması zardaki iyon kanalının açılmasını sağlar, böylece iyonların içeri akışı mümkün olur, hücre içi elektrik potansiyeli değişir, oluşan bu gerilim eşik değerinin üzerindeyse ikinci nöronda da aksiyon potansiyeli oluşur. Sinyal böylece iletilmiş olur. 

Spesifik bir yere bağlanıp fiziksel bir değişim yaratabilen bu tip özel moleküller, kilidi açan anahtarlara benzetilirler. Molekül bağlanınca açılan özel iyon kanallarına, ligand etkisiyle çalışan iyon kanalları denir. Ligand kelimesi burada reseptöre bağlanan molekül mânâsında kullanılır. Nörondan nörona sinyal geçişini mümkün kılan bu özel moleküllere adı üstünde nörotransmitter ya da nöroiletici denir.

Nöroileticiler çeşit çeşittir. Tanıdık isimlerden bir kaç tanesini aşağıdaki tabloda görebilirsiniz.

Adrenalin, noradrenalin, glutamat, dopamin, serotonin, asetilkolin gibi. Her bir nöroileticinin etkisi farklıdır. GABA (gama amino bütirik asit) engelleyicidir, yani nöronlar arası aşırı sinyalleşmeyi yatıştırır. Epilepsi hastalarında atakların sakinleşmesi için hastanın GABA seviyesi artırılır. Parkinson hastalarından dopamin, Alzheimer hastalarında asetilkolin veya dikkat eksikliği ve hiperaktivite bozukluğunda noradrenalin miktarının düşük olması örneklerinde olduğu gibi nöroileticilerin uygun miktarda olmaması çeşitli rahatsızlıklara neden olabilir. Bu durumun düzeltilmesi için ya o nöroiletici ya da ona çok benzeyen bir molekül ile takviye uygulanabilir. Bu yaklaşım ilaç tasarımının da temelini oluşturur.

Kan Beyin Bariyeri (KBB)

Yukarıda saydığımız Alzheimer ve Parkinson gibi beyin hastalıklarını ilaç ile tedavi etmek oldukça zor çünkü beyin, karmaşık olmakla kalmıyor aynı zamanda çok seçici. Biyolojik giriş ve çıkışlar sıkı bir kontrol altında. Beyindeki kan damarlarından beyin dokusuna geçiş, vücudun başka bir bölgesindeki kan damarından dokuya geçişe göre çok daha zor çünkü beyindeki kan damarları çok sık dokunmuş. Madde geçişini büyük ölçüde kısıtlayan bu bariyere Kan Beyin Bariyeri (KBB) deniyor. KBB, kanda bulunan toksik maddelerin beyne geçmesine izin vermeyip aynı zamanda beyin dokusunun doğru besinleri almasını sağlıyor.

Nöroileticileri etkileyen bazı tanıdıklar

Antidepresan ilaçlar: Yeterince serotoniniz yoksa kendinizi mutsuz hissedersiniz. Çünkü serotonin, alıcı nöronda yeterince iyon kanalı açmak için yeterli olmaz, kanallar açılmayınca hücre zarından içeri yeterince iyon giremez, sinyal oluşamaz. Diğer bir deyişle nöroiletici eksikliği sinyal iletimini engeller. Bu aksaklığı gidermek için ne yapılabilir dersiniz? Elbette sinapstaki serotonin sayısı artırılabilir. Bunu yapabilmek için kullanılan ilaç tiplerinden biri, serotonin geri alınımını engelleyen ilaçlar, İngilizcesi serotonin reuptake inhibitors (SSRI). Normalde nöroileticilerin işi bitince ya geri toplanır ya da yok edilir. Geri toplanmayı engelleyen ilaçlar sayesinde sinapstaki serotonin miktarı azalmaz, böylece sinyal iletimi sekteye uğramaz.

Alkol: Alkol, sinyalin iletileceği nörondaki GABA reseptörlerine bağlanır, klorür iyon kanallarının açılmasını ve normalden uzun süre açık kalmasını sağlar. Açık kanallardan içeri eksi yüklü klorür iyonları girer, hücre içinin yükünü daha da eksiye düşürür. Sinyal iletimi için gerekli eşik gerilim değerine ulaşmak zorlaştıkça aksiyon potansiyeli yani sinyal oluşması da zorlaşır.  Böylece tepkilerimiz yavaşlar.

Botoks: Nöroileticilerin miktarıyla sadece hastalık için değil kozmetik kaygılarla uğraşanlar da oluyor. Örneğin botoks olarak bilinen, botulinum toksin, adı üstünde zehirli bir madde. Bu madde, bir nöroiletici olan asetilkolinin motor nöronlardan salınmasını engelleyerek sinyal iletimini durdurur. Diğer bir deyişle kas felcine neden olur.

Düşünmenin fizikselliği ve beyin çipleri

Yıllar önce beni çok etkileyen bir seminerde terapi ve antidepresan ilacın karşılaştırması yapılıyor, beynin aynı noktasında her iki tip terapiyle de aynı etki görülüyordu. O zaman da bu inanılmaz gelmişti. Birinde bir molekülün bir yere bağlanması sonucu fiziksel bir değişim vardı, bu anlaşılır bir şey. Fakat beynin aynı yerindeki anatominin sadece konuşarak değişmesine hayret ettiğimi hatırlıyorum.

Düşünmenin fiziksel bir işe dönüşmesi, yakın zamana kadar fantazileri süslerken günümüzde beyin-motor-arayüzü (BMI-Brain motor interface) artık somut örneklerle karşımıza çıkmaya başladı. Protez uzuvlar, varolan uzuvlara eklenen uzuvlar, bir insanın başka bir insanın hareketini bilgisayar üzerinden kontrol etmesi,^[13]Armstrong, D. ve Ma, M. (2013) Researcher controls colleagues’s motions in 1st human brain-to-brain interface, https://www.washington.edu/news/2013/08/27/researcher-controls-colleagues-motions-in-1st-human-brain-to-brain-interface/ beyin çipleri artık akademik araştırma laboratuvarlarından şirketlerin odağına geçiyor.^[14]Kay, G. (2021) Elon Musk’s Neuralink could transition from implating chips in monkeys to humans within the year, https://www.businessinsider.com/elon-musk-predicts-neuralink-chip-human-brain-trials-possible-2021-2021-2?op=1^[15]The Science Behind Elon Musk’s Neuralink Brain Chip, Wired,  https://www.wired.com/video/watch/wired-news-and-science-the-science-behind-elon-musks-neuralink-brain-chip ^[16]Hackl, C., Meet 10 Companies Working On Reading Your Thoughts (And Even Those Of Your Pets), https://www.forbes.com/sites/cathyhackl/2020/06/21/meet-10-companies-working-on-reading-your-thoughts-and-even-those-of-your-pets/?sh=1875cb22427c

Hatırlamanın ve öğrenmenin mekanizması

“Kısa süreli hafıza fonksiyonel, uzun süreli hafıza ise anatomik bir şey.”  – Eric Kandel

Bu yazıyı tekrar tekrar okur, bir iki arkadaşınıza anlatır ve aradan zaman geçtiğinde unutmamış olursanız bilin ki beyniniz fiziksel olarak değişmiş olacak. Öğrenme dediğimiz olay aslında bir şeyi hafızamızda tutmamızdır. Öğrendiğimiz bilgi, hafızamızda kısa veya uzun süreli olarak kalabilir.

Hafızanın çeşitleri olduğu 1950’lerden sonra Henry Molaison üzerinde yapılan araştırmalarla fark ediliyor. Henry Molaison, çocukluğunda geçirdiği bisiklet kazasından sonra başlayan şiddetli epilepsi atakları nedeniyle doktora gidiyor, tedavi olarak beyninden iki taraftaki hipokampüslerin de içinde olduğu bir bölüm çıkarılıyor. Ameliyat sonrası Henry’nin epilepsi atakları geçmiş olsa da hafızasında ciddi kayıplar olduğu fark ediliyor. Ameliyata kadar olan neredeyse her şeyi hatırlıyor fakat yeni anı kaydedemiyor. Yeni el becerisi öğrenebiliyor ama ne öğrendiğini anlat deyince hatırlamıyor. Varolan motor becerilerini unutmuyor ama bir saat önce tanıştığı insanı hatırlamıyor, doktoruyla her görüşmede yeniden tanışmak zorunda kalıyor. Bu garip durum, hafızanın farklı çeşitleri olduğu ve bunların tek merkezde saklanmadığını ortaya çıkarması açısından beyin araştırmalarında bir dönüm noktası sayılıyor.  Hayatının geri kalanını H.M. adlı hasta olarak ve anonim bir şekilde bilimsel çalışmalara katkı sunarak geçiren Henry ve ailesi bu durumdan ötürü ne maddi ne de manevi bir tazminat elde etmişler.^[17]Scull, A. (2019) A Brief and Awful History of the Lobotomy,  https://lithub.com/a-brief-and-awful-history-of-the-lobotomy/ Ölümünden sonra kimliğine dair bilgiler ve beyin atlası erişime açılmış ve Henry bilime faydalı olmaya devam etmiş.

Beyin araştırmaları dendiğinde ilk akla gelen isimlerden biri olan Eric Kandel, ekibiyle birlikte deniz tavşanı denen bir çeşit deniz salyangozu üzerinde yaptıkları deneylerle hafızamızın fizyolojik ve moleküler mekanizmalarının anlaşılmasına büyük katkıda bulundu.  Bu araştırmalar, Kandel’e 2000’de Tıp ve Fizyoloji Nobel ödülünü getirdi.^[18]Eric Kandel, 2000 Nobel Tıp ve Fizyoloji Ödülü,  https://www.nobelprize.org/prizes/medicine/2000/7621-the-nobel-prize-in-physiology-or-medicine-2000/ Deniz tavşanlarının göbeği kaşınınca solungacının kasılması aynı bizim diz refleksimiz gibi basit bir nöron devresiyle gerçekleşiyor. Kendal ve ekibi önce hayvanın göbeğini kaşıyorlar. Böylece hayvanın göbeğindeki duyu nöronları uyarılıyor, oluşan sinyal aracı nöronlara iletiliyor oradan da motor nöronlara aktarılıyor ve solungacı kasılıyor. Deney gösteriyor ki deniz tavşanının göbeği tekrar tekrar kaşındığında hayvan bir süre sonra bu durumu kanıksıyor, bu uyarıya verdiği tepki azalıyor hatta bitiyor. Buna uyarıya alışma (habituation) deniyor. Göbeğinin kaşınmasını kanıksamış bir deniz tavşanının kuyruğuna sürpriz bir çimdik atıldığında hayvanın solungacı can havliyle kasılıyor. Bu seferki nöron devresi farklı duyu nöronlarıyla başlıyor, farklı aracı nöronlarla devam ediyor fakat sonunda yine aynı devreye bağlanıyor ve solungaç kasılıyor. Sürpriz uyarana verilen güçlü tepkiye hassaslaşma (sensitization) deniyor. Sütten ağzı yananın ayranı üfleyerek içmesi gibi bunu izleyen kısa bir süre boyunca deniz tavşanının kuyruğunu hafifçe çimdiklesek bile hayvanın verdiği tepki abartılı oluyor çünkü deniz tavşanı, bu sevimsiz hatırayı kısa süreli hafızasında tutuyor. Peki ya çimdiklemeyi düzenli olarak tekrarlarsak? İşte o zaman kasılma için tekrar tekrar kullanılan nöron devresi güçleniyor ve bu olay hayvanın uzun süreli hafızasına kaydediliyor, diğer bir deyişle hayvan bu uyarıyı öğreniyor. İşin bu kısmı hakikaten fevkalade çünkü devrenin güçlenmesi derken, fizyolojik bir değişimden bahsediyoruz. Sinyal iletimi için tekrar tekrar kullanılan devrede, salgılanan serotonin ve glutamat gibi nöroileticiler, bazı genleri aktif hale getirip yeni protein sentezlenmesine neden oluyor. Yeni protein derken örneğin o devreyi güçlendiren yeni dendritler gibi yeni fiziksel yapılardan bahsediyoruz. Adeta çok kullanılan dar bir yolun, Karayolları Genel Müdürlüğü tarafından genişletilmesi gibi.

Yeni şeyler öğrenmemiz de aynı mekanizmayla işliyor. Okulda verilen ödevler işkence için değil, düzenli aralıklarla benzer nöron devrelerini çalıştırmaya, beyinde uzun süreli hafıza için gerekli anatomik değişikliklerin yapılmasına yarıyor. Beynimizdeki bu değişebilirlik bizim sürekli öğrenebilmemizi, yeni durumlara adapte olabilmemizi sağlıyor.

Beynimizdeki 100 milyara yakın nöronun senkronize bir şekilde çalıştığını, çok sıcak bir kahve yudumunun nasıl olup da aynı anda hem dilimizi yakıp hem de nefis kokusuyla zihnimizi geçmişten hoş bir hatıraya götürebildiğini anlamanın kolay olmadığına herhalde hepimiz ikna olduk.  Bu kadar karmaşık, kişiden kişiye ve andan ana değişen bir sistemin nasıl çalıştığını tam olarak çözmek sizce mümkün mü?

Zeynep Delen Nircan
Ege’de Atölye kurucusu,
Sabancı Üniversitesi, Temel Geliştirme Direktörlüğü