Etiket: sinir hücresi

Beynimizin ve nöronlarımızın mimarisi bireysel davranış seçimlerimizi belirlerken nasıl bir sistem işletiyor? Bilim insanları uzun bir süredir sinir sistemimizin karar verme sürecimizi nasıl organize ettiğini açıklamak için devlet metaforunu kullanıyorlar. Peki bu süreçte demokrasiyi mi işletiyoruz, yoksa diktatörlüğü mü? Ya da ülkemizde olduğu gibi oligarşik güçlerin çoğunlukla uyum içerisinde olduğu ancak zaman zaman çelişkiye düşüp kontrolü kendi lehine çevirmek için birbiriyle savaşa girdiği oligarşik bir yönetimi mi?

1890 yılında psikolog William James; hepimizin içinde “bilincimizin bağlı olduğu bir merkez ya da –tek güç– bir sinir hücresi var” olduğunu ileri sürdü. Fakat 1941 yılında Nobel ödüllü fizyolog Sir Charles Sherrington; bu tek gücün [sinir hücresinin] hüküm sürdüğü fikrine karşı çıkarak; sinir sisteminin içerisinde milyonlarca hücrenin katılımını içeren bir demokrasi olduğunu ileri sürdü.

Peki Kim Haklı?

Etik sebeplerden kaynaklı, sağlıklı insanların beyinlerindeki tek hücre gözlemlerini nadiren doğru buluyoruz. Fakat, insan dışındaki diğer birçok hayvanın beynindeki hücresel mekanizmayı ortaya çıkarmak mümkün. University of Oklahoma’dan nörobiyolog Ari Berkowitz; “Governing Behavior” (Hükmeden Davranış) isimli kitabında, sinir sistemimizdeki karar verme sürecinin diktatörlükten, oligarşiye, demokrasiye kadar çeşitli yapıları işlettiğini ortaya koyan deneylerden bashediyor.

Nöral Diktatörlük

Lateral dev nöron (kırmızı), duyu nöronları (yeşil)/Society for Neuroscience: Herberholz, J., Antonsen, B. L., and Edwards, D. H., Journal of Neuroscience 22: 9078–9085, copyright, 2002

Bazı davranışlar için, tek bir sinir hücresi, mesaj göndermek için kullandığı elektriksel sinyaller aracılığıyla bütün bir hareket setini tetikleyerek bir diktatör gibi davranır. Nörobiyologlar bu sinyalleri; aksiyon potansiyelleri ya da elektrostimülüs olarak isimlendirir. Tatlı su ıstakozunun (kerevit) kuyruğuna dokunma örneğini ele alalım;lateral dev nöronda bulunan tek bir elektrotimülüs, hayvanı tehlikeden uzaklaştıran yukarıya doğru bir sıçrama hareketini ortaya çıkarır. Bu hareketler dokunma saniyesinin yaklaşık yüzde birlik bir zamanında gerçekleşir.

Benzer şekilde, balık beyninde bulunan büyük Mauthner nöronundaki tek bir elektrotimülüs balığın tehlikeden kaçmasına sebep olan hızlı bir dönüş hareketini ortaya çıkarır. (Bu durum bir omurgalıda doğrulanan tek “komuta nöronu” örneğidir.)

Bu diktatör nöronlarının her biri genellikle büyüktür, özellikle de elektrotimülüsleri uzak mesafelere taşıyan uzun aksonları vardır. Her diktatör nöronu hiyerarşinin tepesinde bulunur ve birçok duyu nöronundan gelen sinyalleri birleştirerek emirleri kas kasılmalarına da sebep olan bir dizi “itaatkâr” nörona iletir.

Bu tarz bir hücresel diktatörlük özellikle de omurgalılarda genellikle kaçma hareketlerinden sorumludur. Bunun yanısıra cırcır böceğinin cıvıldamasını da içeren diğer birçok hareketin de kontrolünden sorumludur.

Tatlı su ıstakozu diktatör nöronu sayesinde kaçabiliyor. Her fotoğraf saniyenin onda birinde  çekildi. / Jens Herberholz and Abigail Schadegg, University of Maryland, College Park

Nöronal Oligarşi

Fakat ne var ki; bu diktatör hücreler hikâyenin tamamı değildir. Tatlı su ıstakozu kuyruk sıçramasını bir başka şekilde daha gerçekleştirebilir. Bunu da bir dizi küçük nöronun bir oligarşi gibi birlikte çalışmasıyla yapar.

Bu “devasa olmayan” kaçışlar, büyük nöronlar tarafından tetiklenen kaçışlara çok benzerdir, fakat görece biraz daha geç ve ayrıntılı gerçekleşir. Böylece, bir tatlı su ıstakozu tehlikede olduğunu fark ettiğinde, cevap için biraz daha uzun süre geçer ve diktatörlük yerine oligarşiyi kullanır.

Benzer şekilde, balığın Mauthner nöronu zarar görse bile, hayvan tehlikeli durumlardan kaçabiliyor. Balık aynı kaçış hareketini; görece daha geç tepkiye sebep olsa da bir dizi küçük nöronu kullanarak da gerçekleştirir.

Bu dolambaçlılık mantıklı olabilir, çünkü tek bir nöronun desteksiz bir kararına güvenerek avcıdan kaçmak oldukça risklidir. Şöyle ki; bu nörondaki bir fonksiyon kaybı ya da yaralanma daha sonrası için yaşamsal bir tehlikeye sebep olabilir. İşte tam bu noktada da evrime bir kez daha “teşekkür” etmek gerekiyor, çünkü evrim kaçış için birden fazla yol sağlamıştır.

Nöronal oligarşiler aynı zamanda da; örneğin insan yüzünü tanırken olduğunda gibi üst-seviye algılarımıza aracılık edebilir.

Demokrasi

Diğer birçok davranış için, sinir sistemimiz, Sherrington’ın söylediği “milyonlarca hücrenin katılımının olduğu bir demokrasi”aracılığıyla kararlar alır.

Örneğin, bir maymun kolunu uzattığında, beyninin motor korteksindeki birçok nöron elektrotimülüs oluşturur. Her nöron birçok doğrultuda hareket için elektrotimülüs oluşturur, fakat her birinin de belirli bir yönü vardır. Araştırmacılar, her nöronun bütün ulaşma hareketlerine bazı açılardan katkıda bulunduğunu, fakat çoğunluğun elektrotimülüsünün daha fazla katkıda bulunduğunu ileri sürüyorlar. Bu durumu ortaya çıkarmak için de birçok nöronu gözlemlediler ve biraz matematiksel işlem uyguladılar.

Maymun bir şeye ulaşmaya çalıştığında nöron elektrotimülüsünü gösteren vektör diagramı. / American Association for the Advancement of Science: Georgopoulos, A. P., Schwartz, A. B., and Kettner, R. E., Science 233: 1416-1419, copyright, 1986

Ekip, maymun çeşitli hedeflere uzanmaya çalıştığında çeşitli nöronlardakielektrotimülüs hızını hesapladılar. Sonrasında, tek bir hedef için, her nöronu bir vektör olarak gösterimlediler. Vektörün açısı, nöronun ulaşım yönünü temsil ederken,uzunluğu ise bu belirli hedef için elektrotimülüsün bağıl hızını temsil ediyor. Matematiksel hesaplamalar ile bu etkileri topladılar (ağırlıklı vektör ortalaması) ve nöronun gönderdiği bütün mesajlardan hatasız bir hareket çıktısını tahmin ettiler.

Bu durum, bazı nöronların diğerlerinden daha baskın çıktığı nöronal bir seçime benziyor. Görselde bir öneğini görebilirsiniz. Soluk mavi çizgiler tekil nöronların oylarının hareketini temsil ediyor. Turuncu çizgi (populasyon vektörü) vektörlerin toplam yönünü temsil ediyor. Sarı çizgi ise gerçek hareket yönünü temsil ediyor ve populasyon vektörüyle hemen hemen aynı yönde. Araştırmacılar buna populasyon kodlaması ismini veriyorlar.

Bazı hayvanlar ve davranışlar için, sinir sisteminin demokrasi versiyonunu test etmek mümkündür. Örneğin, maymunlar (ve insanlar) göz seğirmesi hareketi yaparlar. Göz seğirmesi hareketleri, beyinde üst kolikulus isimli bir bölgede bulunan nöronlar tarafından tetiklenir.

Tıpkı yukarıdaki maymunun ulaşma örneğindeki gibi, bu nöronların hepsi elektrotimülüs ile çok geniş bir yelpazede göz seğirmesine sebep olur ancak çoğunluğun yönü ve mesafesi geçerli olur. Eğer üst kolikulusun bir parçası anestezilenirse –bazı nöronların “oy pusulalarını” yakmak ya da çalmak gibi— bütün göz seğirmelerinin yönü ve mesafesi değiştirilebilir, işte bu noktada da azınlığın tercihi ön plana çıkabilir. Buna da birçok “demokrasi” de olduğu gibi seçime hile karışması diyebiliriz.

Tek-hücre manipülasyonu, sülüklerin seçimlerinde de geçerlidir. Sülükler, vücutlarını derilerine yapılan bir dokunuştan uzaklaştırmak için başka yöne çevirirler. Bu hareket küçük sayıdaki nöronun kolektif etkisinden kaynaklanır. Bazı nöronlar ortaya çıkan davranışa oy verirler, bazıları da aksi bir davranışa oy verirler, fakat oy üstünlüğü olan taraf kazanır.

Sülük “seçim” hareketi. Soldaki: Araştırmacılar hayvanın derisine ok işaretinin gösterdiği yerden dokundular. Her düz çizgi bir denemede sülüğün bu dokunuşta ne tarafa yöneldiğini gösteriyor. Ortadaki: Farklı bir duyu nöronuna elektriksel uyarım verilmesi sülüğün farklı bir yöne yöneldiğini gösteriyor. Sağdaki: Sülük hem dokunuşla hem de elektriksel uyarımla eş zamanlı uyarılıyor ve sülüğün orta yöne yöneldiğini gösteriyor. / Reprinted by permission from Macmillan Publishers Ltd: J. E. Lewis and W. B. Kristan, Nature 391: 76-79, copyright 1998

Eğer sülüğün baş kısmına dokunulursa, sülük bu dokunuştan uzaklaşma eğilimi gösterir. Eğer normalde alt kısımlara yapılan bir dokunuşa cevap veren nöron elektriksel olarak uyarılırsa, sülük zıt yönde bir yönelim gösterme eğilimindedir. Eğer bu dokunuşve elektriksel uyarım eş zamanlı yapılırsa, sülük orta yola doğru eğilim gösterir.

Bu çıktı her tekil dokunuş için optimal değildir, fakat yine de seçim sonucu iki uç arasındaki bir uzlaşma türüdür. Tıpkı bir partinin bir başka parti ile koalisyon kurarak, asgari müştereklerde bir araya gelmesi gibi.
Nöronal demokrasinin sayısız örneği gösterilebilir. Demokrasiler, cırcır böceklerinden, meyve sineklerinden insanlara kadar ne gördüğümüzü, duyduğumuzu ve kokladığımızı belirler.Örneğin, fizikçi Tomas Young’ın 1802 yılında ileri sürdüğü gibi; renkleri, ışığın farklı dalga boylarına tepki veren üç çeşit fotoreseptörün orantılı oylaması sonucu algılamamız gibi. Nöronal demokrasilerin bir avantajı; tek bir nöron elektrotimülüsüne bağlamak yerine, birden fazla nörona bağlanan algılar ve hareketler aslında kesinlik kazanırlar. Öte yandan, eğer bazı nöronlar zarar görürse, geride açığı kapatacak birçok nöron vardır.

Sonuç olarak, ülkelerin aksine, sinir sistemimiz birden fazla yönetim biçimini eş zamanlı olarak işletebilir. Nöral bir diktatörlük, bir oligarşiyle ya da demokrasiyle birlikte çalışabilir. Öte yandan biyolojik temelde, hayatta kalabilme ve üreme olasılığını artıran davranışsal sonuçlar için tek bir yönetime ihtiyaç olmayabilir.

Kaynaklar:

Bilimfili

– The Editors of Encyclopædia Britannica, “Action Potential.” https://global.britannica.com/science/action-potential (Reached on 2016, July 22)
– Berkowitz, A. “Is your nervous system a democracy or a dictatorship when controlling your behavior?” https://theconversation.com/is-your-nervous-system-a-democracy-or-a-dictatorship-when-controlling-your-behavior-61888 (Access on 2016, July 22)
–  Schrameck, Joan E. “Crayfish swimming: alternating motor output and giant fiber activity.” Science 169, no. 3946 (1970): 698-700.
– Eaton, Robert C., William A. Lavender, and Chris M. Wieland. “Alternative neural pathways initiate fast-start responses following lesions of the Mauthner neuron in goldfish.” Journal of comparative physiology 145, no. 4 (1982): 485-496.
– Quiroga, R. Quian, Leila Reddy, Gabriel Kreiman, Christof Koch, and Itzhak Fried. “Invariant visual representation by single neurons in the human brain.”Nature 435, no. 7045 (2005): 1102-1107.
– Georgopoulos, Apostolos P., Andrew B. Schwartz, and Ronald E. Kettner. “Neuronal population coding of movement direction.”Science 233, no. 4771 (1986): 1416-1419.
– Sparks, David L., Richard Holland, and Barton L. Guthrie. “Size and distribution of movement fields in the monkey superior colliculus.” Brain research 113, no. 1 (1976): 21-34.
– Sparks, D. “Population coding of saccadic eye movements by neurons in the superior colliculus.” Nature 332 (1988): 357-360.
– Young, Thomas. “The Bakerian lecture: On the theory of light and colours.”Philosophical transactions of the Royal Society of London 92 (1802): 12-48.