Yazan: Oliver Sussman
Çeviren: İrfan Karabacak
Düzenleyen: Ümit Sözbilir
Özet: Biyoloji ve psikoloji gibi birçok alanı birleştiren sinir bilimi, sinir sistemini inceleyen çok disiplinli bir bilim dalıdır. Bu yazıda bilişsel sinir bilimi alanına yoğunlaşılmış, nöronlar ve sinir sistemi hakkında bilgi verilmiştir. Son olarak, bilişsel sinir bilimi ve psikoloji arasındaki ilişki üzerinde durulmuştur.
Sinir bilimi sinir sistemini inceleyen bir bilim dalıdır. Biyoloji, psikoloji ve tıptan çok sayıda bakış açısını birleştiren çok disiplinli bir alandır. Nörokimyasalların incelenmesinden davranış ve düşünceye kadar çeşitli alt alanlardan oluşur. Örneğin bilişsel sinir bilimi, fonksiyonel manyetik rezonans görüntüleme (fMRI) gibi beyin tarama teknikleri kullanılarak beyin yapılarının zihinsel süreçler üzerindeki etkisinin bilimsel olarak incelenmesidir [1].
Bilişsel Sinir Bilimi Nedir?
Bilişsel sinir bilimi, beyin yapılarının bilgiyi işleme biçimimizi nasıl etkilediğini ve bilişsel işlevlerin beynin belirli alanlarında nasıl haritalandığını keşfetmeyi amaçlamaktadır. Bu amaç fMRI ve pozitron emisyon tomografi (PET) taramaları gibi beyin görüntüleme yöntemleri kullanılarak yapılır.
Sinir biliminin tarihsel kökleri, trepanasyon uygulayan ve beyin hasarının semptomları hakkında bazı bilgilere sahip olan eski Mısırlılara kadar izlenebilir [2]. Çok daha sonra mikroskobun icadı ve boyama yöntemlerinin kullanılması, 1890’ların sonlarında Santiago Ramón y Cajal tarafından bireysel nöronların (sinir sistemi hücreleri) keşfedilmesine yol açtı ve sinir sistemi üzerine modern çalışmalara zemin hazırladı [3].
Sinir biliminin dalları öncelikle analiz ölçekleriyle yani sinir sistemini analiz ettikleri bakış açılarıyla tanımlanır. Sinir sistemindeki moleküller, moleküler sinir biliminin odak noktası olan nöronal işlev ve iletişimin temelini oluşturur.
Sinir sisteminin bilimsel olarak incelenmesi zihin ve beynin işleyişine ilişkin çok önemli bilgiler sağlar ve bu nedenle psikoloji için vazgeçilmezdir. Sinir bilimi, zihnin birçok işleyişini, bilgisayarların elektrik bağlantıları aracılığıyla çalıştığı gibi sinir bağlantılarının ağları üzerinden anlamamıza olanak tanır. Bu sinir bağlantılarının nasıl çalıştığını inceleyerek sağlıklı insan bilişini ve hastalıklarını yani bu sinir bağlantılarının ne zaman ters gittiğini daha iyi anlayabiliriz.
Sinir Bilimi Derneği2 [4], alanın “temel görüşleri” olarak aşağıdakileri listelemektedir:
- Beyin vücudun en karmaşık organıdır.
- Nöronlar hem elektriksel hem de kimyasal sinyalleri kullanarak iletişim kurarlar.
- Genetik olarak belirlenmiş devreler sinir sisteminin temelini oluşturur.
- Yaşam deneyimleri sinir sistemini değiştirir.
- Zekâ, beyin akıl yürüttükçe, plan yaptıkça ve sorunları çözdükçe ortaya çıkar.
- Beyin, bilginin dil yoluyla iletilmesini mümkün kılar.
- İnsan beyni bize dünyanın nasıl çalıştığını anlama konusunda doğal bir merak bahşeder.
- Alandaki temel keşifler sağlıklı yaşamı ve hastalıkların tedavisini teşvik eder.
Nöronlar ve Sinapslar
Nöronlar sinir sistemini oluşturan temel hücresel birimlerdir. İnsanlar yaklaşık 100 milyar nörona sahiptir. Tek bir nöron genellikle soma (hücre gövdesi), dendritler ve aksonlardan oluşur. Soma, hücrenin çekirdeğini (DNA’nın depolandığı yer) içerir ve nöronun işlevi için gerekli proteinleri üretir.
Somadan dışarı uzanan dendritler, elektrik sinyallerini aldıkları ve işledikleri diğer nöronlarla bağlantılar oluşturan dal benzeri yapılardır. Son olarak somanın diğer ucundan bir akson çıkar ve elektrik sinyali üretip diğer nöronlara taşır. Her nöron genellikle yalnızca bir akson içerir ancak yapı somadan ilk uyarımı takiben dallanmış olabilir [5]. Aksonlar tarafından taşınan ve dendritlere iletilen elektrik sinyallerine aksiyon potansiyeli denir. Nöronlar elektrik aletleri gibidir. Pozitif ve negatif iyonların hücrenin dışından içine veya hücrenin dışından içine geçmesine izin veren kanallar içerirler, bu da hücre zarıyla ilgili bir elektrik potansiyeline yol açar.
Nöronlar dinlenme hâlindeyken hücrenin içinde dışarıya göre daha fazla negatif yük vardır ve bu da yaklaşık -70 milivoltluk dinlenme membran potansiyeline yol açar. Bununla birlikte bu elektriksel potansiyel, diğer hücrelerden gelen girdilere yanıt olarak sürekli olarak değişir ve bu da iyonların hücrenin içine veya dışına akmasına neden olur. Bu girdilerden bazıları “uyarıcı”dır yani hücre zarı potansiyelini daha az negatif hâle getirir (örneğin, pozitif iyonların hücreye akmasına neden olarak), diğerleri ise “inhibitör”dür, yani hücre zarını daha negatif hâle getirirler.
Bir nöron yeterli miktarda uyarıcı girdi alır ve çok fazla engelleyici girdi almazsa membran potansiyeli “aksiyon potansiyeli eşiği” olarak bilinen değerin (yaklaşık -50 milivolt) üzerine çıkar ve bir aksiyon potansiyeli meydana gelir. Elektriksel olarak aksiyon potansiyelleri bir nöronun membran potansiyelindeki kısa ama ani artışlardır. Sinir bilimciler genellikle aksiyon potansiyellerini basitçe “ani artışlar” olarak adlandırırlar.
Bir nöronun membran potansiyeli, aksiyon potansiyeli eşiğini aştığında pozitif yüklü sodyum iyonlarının hücreye geçmesine izin veren voltaj kapılı sodyum kanalları olarak bilinen kanalların açılmasını tetikler. Bu durum hücrenin membran potansiyelinin hızla daha pozitif hâle gelmesine ve ani bir yükselişe yol açmasına neden olur. Bu sinyal daha sonra hızla nöronun akson uzunluğu boyunca ilerler çünkü sivri ucun kendisi daha aşağılarda voltaj kapılı sodyum kanallarının da açılmasına neden olur ve bu böyle devam eder. Sonunda aksiyon potansiyeli aksonun sonuna ulaşır ve nöron bu sinyali diğer nöronlara iletir.
Nöronlar birbirleriyle sinaps adı verilen yapılar aracılığıyla iletişim kurar. Tek bir sinaps bir presinaptik terminal, bir sinaptik boşluk ve bir postsinaptik terminalden oluşur. Bir aksiyon potansiyeli nöronun aksonunun sonuna ulaştığında presinaptik terminale ulaşır ve bu da nörotransmiterlerin hücreden salınmasına neden olur. Bu nörotransmiterler, sinaptik öncesi ve postsinaptik terminaller arasındaki küçük (20-40 nanometre) bir boşluk olan sinaptik boşluğa salınır. Nörotransmiterler daha sonra sinaptik boşluk boyunca hareket eder ve postsinaptik terminaldeki nörotransmiter reseptörlerini aktive eder. Bu reseptörler aktive edildiğinde pozitif veya negatif iyonların postsinaptik nörona akmasına neden olurlar, bu da sırasıyla uyarılma veya inhibisyonla sonuçlanır [6].
Nörotransmiterler, pozitif iyonların postsinaptik nörona akmasına neden olacak şekilde reseptörler üzerinde etki gösterdiğinde buna uyarılma denir çünkü nöron aksiyon potansiyeli eşiğine yaklaşır ve dolayısıyla ateşlenme olasılığı artar. Diğer taraftan nörotransmiterler negatif iyonların postsinaptik nörona akmasına neden olacak şekilde reseptörler üzerinde etki ettiğinde buna inhibisyon denir çünkü nöron, aksiyon potansiyeli eşiğinden daha da uzaklaştırılır ve dolayısıyla ateşlenme olasılığı azalır. Sonuç olarak, bazı nörotransmiterlere uyarıcı nörotransmiterler (reseptörler üzerindeki etkileri uyarılmaya neden olduğundan) denirken diğerlerine ise inhibitör nörotransmiterler denir.
Yaygın uyarıcı nörotransmiterler glutamat ve dopamini içerir; yaygın inhibitör nörotransmiterler arasında gama-aminobütirik asit (GABA) ve glisin bulunur. Serotonin gibi bazı nörotransmiterler etki ettikleri reseptör tipine bağlı olarak uyarıcı veya engelleyici olabilir.
Sinir Sistemi
Sinir sistemimiz aksiyon potansiyellerini ateşleyen ve birbirleriyle sinapslar aracılığıyla iletişim kuran milyarlarca nörondan oluşur. Bu nöron ağları sonuçta özel işlevleri yerine getiren daha büyük yapılara yol açar. Sinir sisteminin anatomisini inceleyerek onun birçok görevi nasıl böldüğünü anlamaya başlayabiliriz.
Sinir sisteminin en önemli anatomik bölümü merkezi sinir sistemi ile çevresel sinir sistemi arasındadır. Merkezi sinir sistemi beyin ve omurilikten oluşur ve çevresel sinir sistemi, merkezi sinir sistemiyle iletişim kuran vücuttaki sinirlerden oluşur.
Merkezi ve çevresel sinir sistemleri duyu verilerini yorumlamak ve hareketi başlatmak için birlikte hareket eder [7]. Duyusal bilgiler çevresel sinirlerden omuriliğe gönderilir ve ardından beyne iletilir; motor bilgisi beyinden omuriliğe ve daha sonra çevresel sinirler yoluyla kaslara doğru ilerler.
Beynin kendisi üç bölümden oluşur: beyin sapı, beyincik ve serebral korteks. Beyin sapı öncelikle kalp atış hızı ve nefes alma gibi bilinçsizce düzenlenen bedensel işlevler anlamına gelen “otonom” işlevleri kontrol eder. Beyin sapının yanında olan beyincik ise dengeyi ve hareket koordinasyonunu kontrol eder. Son olarak serebral korteks, beyin sapı ve serebellumun üzerinde yer alır ve çoğu insanın beyni düşündüğünde aklına gelen şeydir. Serebral korteks zihinsel yaşamlarımızı oluşturan algısal ve bilişsel işlevlerden sorumludur [7].
Serebral korteks iki yarım küreye ve dört loba bölünmüştür. Sinir liflerinden oluşan ve korpus kallozum adı verilen köprü, sağ ve sol yarı küreleri birbirine bağlar. Popüler inanışın aksine, bilişsel süreçlerin çoğu serebral korteksin her iki yarım küresiyle de ilişkilidir (yani sağ taraf daha “yaratıcı” değildir ve sol taraf daha “analitik” değildir). Ancak dille ilgili sinir yapılarının çoğunun sol yarı kürede bulunması bir istisnadır [7].
İki yarım kürenin yanı sıra serebral korteks de dört loba bölünmüştür: oksipital lob, temporal lob, parietal lob ve frontal lob. Oksipital lob beynin arka tarafında yer alır ve çoğunlukla görsel bilgilerin işlenmesinden sorumludur. Temporal lob alın şakaklarının arkasında yer alır ve büyük ölçüde ses bilgisi (dil dâhil) ve belleğin bazı yönleriyle ilgilenir.
Parietal lob kulağın üzerinde bulunur ve esas olarak duyusal, dokunma ve mekansal bilgileri işler. Son olarak frontal lob (en büyük lob) korteksin ön kısmında, gözlerin üzerinde yer alır. Akıl yürütme, karar verme ve planlama gibi üst düzey bilişsel işlevlerden sorumludur. Oldukça gelişmiş ön korteksimizin, insanları primat atalarından ayırdığı düşünülmektedir [7].
Her lob iki farklı türde sinirsel doku içerir: gri madde ve beyaz madde. Gri madde gri renkte görünür ve nöronların somalarını, dendritlerini ve nöron olmayan destekleyici hücreleri içerir. Beyaz madde beyaz renktedir ve beyindeki alanlar arasında bağlantı kurmaya yarayan nöronların aksonlarını içerir. Beyaz renk, aksonların daha etkili biçimde sinyal göndermesini sağlamak için aksonların etrafına sarılan yağlı bir madde olan miyelinden kaynaklanır [7].
Beyin ayrıca daha spesifik işlevlere sahip çok sayıda küçük bölge içerir. Önemli bölgeler şunları içerir:
- Hipotalamus vücut sıcaklığı ve kan basıncı gibi otonomik işlevlerin yanı sıra açlık, susuzluk ve cinsel dürtü gibi davranışların kontrol merkezidir.
- Hipofiz bezi hipotalamusa bağlı olup cinsel gelişim, kemik ve kas büyümesi ve stresle ilgili hormonları salgılayarak endokrin sistemi düzenler.
- Talamus serebral korteksten gelen ve giden bilgileri düzenleyen ana “aktarma istasyonu” görevi görür.
- Bazal gangliyonlar beyincik ile ince motor hareketlerinin koordinasyonuna yardımcı olur.
- Amigdala uyaranlara verilen duygusal tepkide önemli bir rol oynar.
- Hipokampus uzun süreli bellekten sorumludur [8].
Sinir Bilimi ve Psikoloji
Beynin bilimsel olarak incelenmesi, zihnin bilimsel olarak incelenmesi için vazgeçilmezdir. Sinir bilimi ve psikoloji farklı alanlara odaklansa da sinir bilimi fiziksel özellikler alanıyla ilgilenirken psikoloji zihinsel olanın daha soyut alanıyla ilgilenir. Beyin durumlarını zihinsel durumlarla ilişkilendirme konusunda sürekli gelişen yeteneğimiz, iki disiplinin anlamlı bir diyaloğa girebileceği anlamına gelir.
Bilim insanları sağlıklı ve sağlıklı olmayan insan bilişinde beyin ve zihin arasındaki ilişkiyi anlamaya çalıştılar. Bilişsel sinir biliminin temel amacı budur. Bilişsel sinir bilimindeki araştırmaların çoğu, yaşayan insanların kafataslarının “içerisine bakmamıza” olanak tanıdığı için nörogörüntüleme[3] kullanılarak yapılır.
Bilişsel sinir bilimi çalışmalarında kullanılan en yaygın nörogörüntüleme biçimi, beyin hakkında bilgi elde etmek için farklı ortamlarda hidrojen iyonlarından gelen yanıtları kullanan manyetik rezonans görüntülemedir (MRI). MRI, kafatasındaki farklı doku türlerini ayırt ederek ve fiziksel bir beyin haritası oluşturarak beyin hakkında yapısal bilgi (yani farklı bölgelerin boyutları gibi birinin beyin anatomisi hakkında bilgi) sağlayabilir. Aynı zamanda beyin etkinliğiyle ilişkili olan yüksek düzeyde oksijenli kan içeren bölgeleri tespit ederek işlevsel bilgi (yani beynin farklı alanlarının etkinliği hakkında bilgi) sağlayabilir.
Nörogörüntüleme çalışmaları aracılığıyla bilişsel sinir bilimciler insan biliş modellerini oluşturmak ve farklı beyin sistemlerinin ve bölgelerinin düşünce ve davranıştaki rollerini anlamak için yapısal ve işlevsel bilgileri kullanabilirler [9]. Sinir bilimi genel olarak insan zihninin altında yatan sinirsel süreçlere ışık tutmanın yanı sıra psikiyatrik hastalıklara dair anlayışımızda önemli ilerlemeler sağlayarak klinik psikolojide devrim yarattı.
Sinir bilimciler, sağlıklı deneklerin beyinlerini psikiyatrik bozukluğu olan bireylerin beyinleriyle karşılaştırarak hem bu hastalıkların nedenleri hem de en etkili tedaviler hakkındaki bilgimizi geliştirdiler. Örneğin, nörogörüntüleme çalışmaları depresyonu olan bazı kişilerin hipokampuslarının daha küçük olabileceğini öne sürüyor. Bu, hipokampustaki nörojenezi (yeni nöronların üretimini) azalttığı düşünülen stresle ilişkili olabilir. Bu bulgu aynı zamanda antidepresan ilaçların hipokampusta nörojenezi teşvik ettiğine dair kanıtlarla da tutarlıdır ve bu süreç uzun sürdüğünden hastaların antidepresanların etkilerini genellikle birkaç hafta boyunca neden fark etmediklerini açıklayabilir.
Antidepresanlar ruh hâlinde rol oynadığı düşünülen nörotransmiterlerin seviyeleri üzerinde doğrudan etkiler oluştursa da bu bulgular nörojenezin niyahetinde daha önemli etki mekanizması olduğunu ve özellikle nörojenezi hedef alan ilaçların geliştirilmesi gerektiğini göstermektedir [10].
Bir başka örnek ise şizofrenidir. Çeşitli nörokimyasal, nörogörüntüleme ve hayvan modeli çalışmaları, nörotransmiter olan dopaminin bu bozuklukta özellikle de beynin striatum adı verilen bir bölümünde anormal derecede yüksek dopamin düzeylerinin önemli bir rolüne işaret etmiştir. Dopaminin rollerinden birinin dış uyaranların belirginliğine işaret etmek olduğu düşünülmektedir. Örneğin, hayatta kalmak için gerekli olan gıdanın göze çarpan bir şey olduğu sinyali verilebilir. Bilim insanları bu nedenle striatumdaki anormal dopamin aktivitesinin zararsız uyaranların şizofreni hastalarında anormal bir belirginliğe sahip olmasına neden olabileceğini ve söz konusu uyaranlarla ilgili sanrılara ve halüsinasyonlara yol açabileceğini öne sürdüler.
Sonuç olarak antipsikotik ilaçların temel mekanizması dopamin reseptörlerini bloke etmektir [11]. Dopamin ayrıca bağımlılıkla da ilişkilidir. Nörotransmiter, motivasyon ve ödülde önemli bir rol oynar ve ödül devresindeki dopamin seviyelerini artıran ilaçlar alındığında koşullu bir tepki uyarılır.
Tipik olarak bu ödül devresi, prefrontal korteksteki yürütme işlevini kontrol eden devreler tarafından kontrol altında tutulur (Uzun vadeli bir hedef doğrultusunda kısa vadeli dürtülere direnme yeteneği.). Bununla birlikte bağımlılığı olan bireylerde uyuşturucunun koşullu tepkisi o kadar güçlüdür ki ödül devreleri prefrontal devrelerini geçersiz kılar ve bu da olumsuz sonuçlarına rağmen kompulsif bir şekilde uyuşturucu aranmaya neden olur [12].
Çağdaş araştırmalar sinir bilimi ve psikolojinin karşılıklı yarar için birlikte çalışabileceğini göstermiştir. Zihinsel ve fiziksel ilişkiyi öğrenerek her ikisini de daha iyi anlayabiliriz.
1 Beyin ve/veya zihinsel bozuklukları tedavi etmek için kafatasına delik açma
2 Derneğin sitesine ulaşmak için bkz: Society for Neuroscience
3 Beynin görselleştirilmesine yardımcı olan herhangi bir teknoloji.
