Beynin Karanlık Enerjisi

Yazan: Marcus E. Raichle
(Bu makale Scientific American Dergisi Mart 2010 sayısından çevrilmiştir.)

Çeviren: Esin Tezer

Zihinlerimiz dalıp gittiğinde, aktif beyin bölgeleri nörolojik hastalıkların ve hatta bilincin kendisini anlamaya anahtar tutabilir. 

Anahtar Kavramlar:

■ ■ Bilimadamları uzun zamandır bir kişi dinlenirken beynin devrelerinin kapalı olduğunu düşünüyorlardı.
■ ■ Her nasılsa, imajlama deneyleri arka plandaki aktivitenin sürekli bir seviyesi olduğunu gösterdi.
■ ■ Bu Varsayılan Mod olarak adlandırılan, gelecekteki hareketleri planlamada kritik olabilir.
■ ■ Varsayılan Mod’daki ilgili beyin bölgelerinin yanlış tellenmesi, Alzheimer’dan Şizofreni’ye uzanan hastalıklara neden olabilir.

Dışarıda şezlongta dergi kucağınızda neredeyse dalmak üzere olduğunuzu hayal edin. Ansızın, bir sinek kolunuza konar. Dergiyi kapar, haşereye vurur, ezersiniz. Sinek konduktan sonra beyninizden ne geçmekteydi? Ve ondan biraz önce ne geçiyordu? Pek çok nörobilimadamı uzun zamandır dinlenirkenki kafanızın içindeki nöral aktivitenin çoğunun hafif uykulu ruh halinize uyduğunu varsayıyor.

Bu görünüşte dinlenen beyindeki aktivite; sıradan bir ‘’gürültü’’, bir istasyon yayın yapmadığı zaman televizyon ekranındaki karlı görüntüye benzeyenden daha fazlasını göstermez. Daha sonra sinek kolunuzun ön kısmına konunca, beyin haşereyi ezmenin bilinçli işine odaklanır. Fakat, nöroimajlama teknolojileri tarafından gösterilen yakın zamandaki analiz, hakikaten dikkat çekici bir şeyi gözler önüne sermiştir:

Bir kişi dinlenirken ve hiçbirşey yapmazken beyinde pek çok anlamlı aktivite meydana gelmektedir. Zihniniz dinlenmedeyken, bir sandalyede sessizce dalıp giderken, diyelim ki  bir yatakta uyurken veya ameliyat için anesteziliyken dağılmış beyin bölgelerinin birbirleriyle gevezelik ettikleri ortaya çıkmıştır. Ve beynin Varsayılan Mod’u olarak bilinen bu durmadan işleyen mesajlama tarafından tüketilen enerji, beynin rahatsız edici bir sineğe veya dışarıdaki bir başka uyarıcıya bilinçli cevap vermesindekinden 20 katı kadardır.

Doğrusu istenirse pek çok şeyi bilinçli yaparız, akşam yemeğini yemek için veya konuşma yapmak için beynin Varsayılan Modu’nun taban çizgisi aktivitesinden bir hareket işaretlenmektedir. Beynin Varsayılan Mod’unu anlamanın anahtarı, beynin Varsayılan Mod Ağı’nı (DMN) düzelten şimdiye kadar farkedilmemiş olan beyin sisteminin keşfi olmuştur.

DMN’nin nöral aktiviteyi organize etmedeki tam rolü üzerinde hâlâ çalışılmaktadır, fakat o beynin gelecek olaylar için hazırlığa ihtiyaç duyduğu hatıraları ve çeşitli sistemleri organize ettiği biçimi düzenleyebilir. Beynin motor sistemi bir sineğin kolunuzdaki gıdıklamasını hissettiğinizde hızını arttırmalı ve hazır olmalıdır. DMN, beynin bütün kısımlarını senkronize etmede kritik bir rol oynayabilir, böylelikle parkur yarışmasındaki koşucular gibi başlangıç silahı atıldığında hepsi uygun ‘’hal’’ modundadırlar.

Eğer DMN beyni bilinçli aktivite için hazırlarsa, onun bu davranışının incelemeleri bilinçli deneyimin doğasına ipuçlarını sağlayabilir. Dahası, nörobilimadamlarının şüphelenmek için nedenleri var, DMN’de olan bozulmalar basit zihinsel bozukluklar gibi Alzheimer hastalığından depresyona karmaşık beyin bozukluklarının da temelini oluşturabilir.

Karanlık Enerjiyi Araştırma

Beynin sürekli meşgul olabileceğinin fikri yeni değildir. Bu görüşün erken savunucusu beyindeki elektriksel aktiviteyi grafik üzerinde bir dizi dalgalı çizgilerle kaydeden tanıdık elektroensefalogram’ın mucidi Hans Berger’dir. 1929’da yayınlanan bulgularının taslak tezlerinde Berger, aygıt tarafından yakalanan ‘’merkezi sinir sisteminin yalnızca uyanıklıkta değil, her zaman hatırı sayılır derecede aktivite halinde olduğunu farzetmeliyiz’’i, sonu gelmeyen elektriksel dalgalanmalardan ortaya çıkarmıştır.

Fakat beynin nasıl fonksiyon gördüğü hakkındaki fikirleri  nörobilim laboratuarlarında non-invazif imajlama metodları donatım haline geldikten sonra bile büyük ölçüde görmezden gelinmiştir. İlk olarak 1970’lerin sonlarında glukoz metabolizmasını, kan akışını ve oksijen alınımını nöronal aktivite uzantısı için proxy olarak ölçen Pozitron-Emisyon Tomografisi (PET) gelmiştir, 1992’de aynı neden için beyin oksijenasyonunu ölçümleyen Fonksiyonel Manyetik Rezonans İmajlama (fMRI) onu takip etmiştir.

Bu teknolojiler odaklanmış olsun veya olmasın, beyin aktivitesini analiz etmeden daha fazlasını yapabilirler, fakat pek çok çalışmanın dizaynı dikkatsiz bir şekilde pek çok beyin alanının belirli bir görevi yapmaya çağrılana kadar gayet sessiz olduğu izlenimine yol açmıştır.İmajlama deneylerini yürüten nörobilimadamları genel anlamda verilen algılamayı veya davranışı ortaya çıkaran beyin bölgelerinin yerini belirlemeye çalışıyorlar. Böyle bölgeleri belirleyen en iyi çalışma modelleri sadece çift bağlantılı durum esnasındaki beyin aktivitesini karşılaştırıyor.

Eğer araştırmacılar aynı kelimeleri sessiz bir şekilde (‘’kontrol’’ durumu) görüntülemenin aksine, kelimeleri sesli okuma esnasında (‘’test’’ durumu) hangi beyin alanlarının önemli olduğunu görmek isterlerse; örneğin, o iki durumun imajlarındaki farklılıklar için bakıyorlar. Ve bu farklılıkları açık bir şekilde görmek için, aslında sesli imajdakilerden pasif okuma imajlarındaki pikselleri çıkartıyorlar, ‘’aydınlanmış’’ kalan alanlardaki nöronların aktivitesi sesli okumak için gerekli olanlar olarak varsayılıyor. İçsel aktivite olarak adlandırılanın herhangi bir tanesi, daimi arka plan aktivitesi montaj odasında kalıyor.

Veriyi bu şekilde temsil etme, verilen bir davranış esnasında beynin ‘’iletime geçmiş’’ olan alanlarını belirli bir görev tarafından gerekene kadar onlar sanki aktif değilmiş gibi tasavvur etmeyi kolay hale getiriyor. Yıllar boyunca her nasılsa, bizim grup ve diğerleri, bir kişi tamamen dinlenirken ve basitçe zihnin dalıp gitmesine izin verirken ne olduğu hakkında merak ediyorlardı. Bu ilgiden, bu faaliyet alanlarının arkasındaki aktivitenin büyüklüğünü gösteren çeşitli çalışmalardan bir dizi işaret ortaya çıkmıştır.

Bir ipucu sırf imajların görsel incelemelerinden gelmiştir. Resimler beynin pek çok bölgesinde hem test hem de kontrol durumlarında gayet meşgul olduğunu göstermiştir. Bazı hususlarda bu paylaşılan arkadaki ‘’gürültü’’  yüzünden kontrol durumundan imkansız görünen bir görev ayırdedilmektedir ve yalnızca ileri bilgisayarlaşmış imaj analizi uygulanarak başarılabilir.İleri analizler belirli bir görevi yerine getirmenin beynin enerji tüketiminin taban çizgisi aktivitesinin altında yatanı yüzde 5’den az arttırdığına işaret etmiştir.

Bütün aktivitenin büyük bir bölümü, beyin tarafından kullanılan tüm enerjinin yüzde 60 ila 80’i, herhangi bir dış olayla bağlantısı olmayan devrelerde meydana gelmektedir.Astronom çalışma arkadaşlarımızı başlarımızla onayladıktan sonra bizim grup bu içsel aktiviteyi evrenin çoğu kütlesini de temsil eden görünmeyen enerjiye bir referans olarak, ‘’Beynin Karanlık Enerjisi’’ olarak adlandırdı.Nöral karanlık enerjinin varlığının sorusu da algılardan beynin içsel işlemden geçirme alanlarına ne kadar az bilgi eriştiğini gözlemlerken ortaya çıkmıştır. Örneğin görsel bilgi, gözden görsel korteks’e geçerken önemli ölçüde küçültülür.

Dünyada etrafımızda mevcut olan gerçekte limitsiz bilgiden saniyede 10 milyar bit’in eşdeğeri gözün arkasındaki retina’ya gelmektedir. Çünkü, retina’ya bağlı olan optik sinir yalnızca bir milyon çıktı bağlantısına sahiptir, sadece saniyede altı milyon bit retina’dan ayrılabilir ve yalnızca saniyede 10,000 bit görsel korteks’e gelir. Daha sonra daha ileri işlemden geçmeden sonra görsel bilgi, bilinçli algılamamızı biçimlendirmeden sorumlu beyin bölgelerinin içerisini besler. Sürpriz bir şekilde, o bilinçli algıyı oluşturan bilginin miktarı saniyede 100 bit’den daha azdır.

Eğer beynin hesaba kattığı o kadarsa böylesine zayıf bir veri tahminen algılamayı meydana getiremez, içsel aktivite bir rol oynamalıdır. Buna rağmen, beynin içsel işlemden geçirme gücünün diğer işareti nöronlar arasında kontakt noktaları olan snapsların önemli olmasından gelmektedir. Görsel kortekste, içeri gelen görsel bilgiye bağlı snapsların sayısı mevcut olandan yüzde 10 daha azdır. Bundan dolayı, büyük çoğunluk o beyin bölgesindeki nöronlar arasındaki iç bağlantıları temsil etmelidir.

Varsayılan Mod’u Keşfetme

Beynin içteki hayatının ipuçları çok iyi belirlendi. Fakat beynin asıl aktivitesinin fizyolojisine ve onun algılama ve davranışı nasıl etkileyebildiğine  anlayış gerekmekteydi. Allah’tan, PET çalışmaları esnasında daha sonra fMRI ile doğrulayan, DMN’yi keşfetme yoluna bizi yönelten bir şans ve şaşırtıcı bir gözlem oldu. 1990’ların ortalarında tamamen sürpriz bir şekilde farkettik. Belirli beyin bölgeleri, taban çizgisi dinlenme halinden azalmış düzeydeki bir aktiviteyi denekler belirli bir görevi gerçekleştirdiklerinde deneyimledi.

Bu alanlar bilhassa Mediyal Paryetal Korteks (diğer şeyler arasında bir kişinin hayatındaki kişisel olayları hatırlamayla alakalı olan Orta Beyin’in yakınındaki bir bölge) diğer alanlar sesli okuma gibi belirli bir görevi gerçekleştirmeyle meşgulken azalmayı kaydetti. Şaşırmış olarak en depresyon MMPA’yı (Mediyal Bilinmeyen Paryetal Alanı’nı) gösteren alanı etiketledik.

PET deneyleri serisi daha sonra beyin bilinçli bir aktiviteyle meşgul olmadığında atıl durumdan uzak olduğunu teyit etti. Aslında, diğer pek çok alanlar gibi MMPA da iç aktivitenin azaldığı bazı alanlar zamanında beyin bazı alışılmışın dışında göreve odaklanıncaya kadar durmaksızın aktif kaldı. Çalışmalarımız ilk başta bazı şüpheci tavırlarla karşılaştı. 1998’de, böyle buluşların reddedildiği bir tez bile oldu çünkü bir bilirkişi aktivitede bildirilen azalmanın veride bir hatamız olduğunu ileri sürdü.

Eleştirmenin açıkladığı devreler aslında dinlenmede devreye sokuluyor ve görev esnasında da devreden çıkartılıyordu. Her nasılsa, diğer araştırmacılar hem Mediyal Paryetal Korteks, hem de Mediyal Prefrontal Korteks için (duygusal halimizin bakış açılarıyla hem de diğer insanların ne düşündüğünü hayal etmeyle alakalı) olan sonuçlarımızı çoğalttılar. İki alan da şimdi DMN’nin ana merkezleri olarak dikkate alındı.

DMN’nin keşfi, bize beynin içteki aktivitesini dikkate almada yeni bir yol sağladı. Bu yayınlara kadar nörofizyolojistler bir iş tamamlanana kadar bu bölgeleri birbirleriyle iletişim kuran bir dizi farklı alanlar olarak, görsel veya motor sisteminde düşündüğümüz şekilde bir sistem olarak hiç düşünmemişlerdi. Beynin böyle bir içsel aktiviteyi dinlenmekteyken birden çok bölge boyunca sergileyebileceği fikri nöroimajlama kuruluşunun gözünden kaçtı.

DMN yalnız başına bu özelliği sergiledi mi, yoksa beyin boyunca daha genel olarak mı varoldu? fMRI’yı anlama ve analiz etmedeki sürpriz verici buluş, böyle sorulara cevap vermemize ihtiyaç duyduğumuz açılışı sağladı. fMRI sinyali genellikle kan oksijen düzeyi-bağımlısı veya BOLD sinyali olarak adlandırılır, çünkü imajlama metodu kan akışındaki değişiklikler tarafından neden olunan insan beynindeki oksijen seviyelerindeki değişikliklere dayanmaktadır.

Beynin herhangi bir alanındaki BOLD sinyali, sessiz dinlenme halinde gözlemlendiği zaman yaklaşık olarak her 10 saniyede bir meydana gelen devirle yavaş bir şekilde dalgalanır. Bu kadar yavaş dalgalanma sadece gürültü olarak dikkate alınmıştır ve böylelikle tarayıcı tarafından yakalanan veri basit bir şekilde belirli bir görev için imajlanmış olan beyin aktivitesini daha iyi çözmek için ortadan kaldırılmıştır.

Düşük frekans sinyallerini ayırma hikmetinin sorusu 1995’de Bharat Biswal ve Wisconsin, Medical College’deki çalışma arkadaşlarının bir denek hareketsiz kaldığında bile beynin sağ el hareketini kontrol eden alanındaki ‘’gürültünün’’, sol el hareketiyle alakalı olan beynin zıt tarafındaki alanda benzer aktiviteyle ahenkle dalgalandığını gözlemlediklerinde sorulmuştur.

2000’lerin başlarında Greicius ve onun Stanford Üniversitesi’nden iş arkadaşları, dinlenen bir deneğin DMN’sinde aynı senkronize dalgalanmaları buldular. DMN’ye beyin fonksiyonunda hızlı bir şekilde hız kazandıran ilgiden dolayı, Greicius grubunun haritalanan bütün ‘’gürültü’nün ana beyin sistemlerinin içerideki aktivitesinin bulgusu bizimki dahil dünyanın her tarafındaki laboratuarlarda bir coşku yaratmıştır.

Bu dikkat çekici aktivite modelleri, onların beyin fonksiyonunun temel bir görünüşü olduğu ve sadece gürültü olmadığı önerisi; genel anestezi altında ve hafif uyku esnasında bile gözükmüştür.Bu çalışmadan DMN’nin sadece bir kısımdan, fakat tüm içerideki aktivitenin kritik bir kısmından sorumlu olduğu ve beyin fonksiyonunun Varsayılan Mod’unun bütün beyin sistemlerine uzandığı netlik kazanmıştır.

Laboratuarımızdaki genellenmiş Varsayılan Mod’un keşfi ilk olarak her 10 saniye civarında ateşlenen nöronlar gruplarında Yavaş Kortikal Potansiyeller olarak bilinen SCP’lerin beyin elektriksel aktivitesi üzerindeki araştırmasını incelemeden gelmiştir. Araştırmamız BOLD imajlarında gözlemlenen kendiliğinden olan dalgalanmaların SCP’lerle aynı olduğuna (aynı aktivite farklı hissetme metodlarıyla belirlendi) karar verdi. Biz daha sonra diğer nöral elektriksel sinyallerle bağlı olan SCP’lerin amacını inceledik.

Berger’in ilk gösterdiği gibi ve sayısız diğer kişilerin teyit etmesinden beri, beynin sinyal vermesi düşük frekans SCP’lerden aktiviteyle her saniyede 100 devirden fazla değişen belli frekans spektrumundan oluşmaktadır. Nörobilimdeki en büyük sorunlardan bir tanesi, farklı frekans sinyallerinin nasıl birbirleriyle etkileşim içinde olduklarını anlamaktır. SCP’lerin etkileyici bir role sahip oldukları ortaya çıkmıştır.

Hem bizim çalışmamız hem de diğerlerininki SCP’lerin, SCP’lerin dalgalanmalarını veya aşamalarını senkronize eden SCP’lerin üzerindeki frekanslardaki elektriksel aktiviteyi ispat etmektedir. Yakın zamanda Matias Palva ve onun Helsinki Üniversitesi’nden çalışma arkadaşlarının gözlemlediği gibi, SCP’nin artan evresi diğer frekanslardaki sinyallerin aktivitelerinde bir artış göstermiştir. Senfoni orkestrası aynı ritmi çalan çeşitli enstrümanlardan ses çıkan birleşik dokusuyla uygun  benzetmeyi sağlamaktadır.

SCPler orkestra şefinin çubuğuna eşdeğerdirler. Müzikal enstrümanların derlenmesine zaman ayırma yerine bu sinyaller her bir beyin sisteminin karmaşık, durmadan değişen bir dünyada varlığını sürdürebilmesi için gerekli hatıraların geniş haznesini ve diğer bilginin girişini koordine etmektedirler. SCP’ler doğru hesaplamaların tam doğru anda koordine olmuş şekilde oluşmasını sağlamaktadır. Fakat beyin bir senfoni orkestrasından daha karmaşıktır.

Her bir özelleştirilmiş beyin sistemi (görsel aktiviteyi kontrol eden bir tanesi, kasları harekete geçiren diğeri) kendi SCP modelini ortaya koyar. Kaos bertaraf edilmiştir, çünkü bütün sistemler diğerlerinden önce gelen beyin alanlarıdır. Bu hiyerarşinin tepesinde bir sistemden bir diğer sisteme yarışan sinyallerin ahenksizliğinin birbirini engellememesi için bir orkestra şefi gibi davranan DMN bulunmaktadır. Bu organizasyonel yapı sürpriz edici değildir, çünkü beyin bağımsız sistemler arasındaki bir tartışma değil, ama birbirine bağlı olan parçaların birliğidir. Aynı zamanda da bu anlaşılması güç içsel aktivite bazen dış dünyanın emirlerine boyun eğmelidir. Bu düzeni sağlamak için DMN’deki SCPler uyanıklık gerektiğinde alışılmamış veya beklenmedik duyumsal girdiler yüzünden azalacaklardır: Aniden işten eve arabayla giderken bir kutu süt almaya söz verdiğinizin farkına varırsınız. Bir kez odaklanılmış dikkat ihtiyacı gitgide azaldığında içsel SCP mesajlaması canlanır. Beyin durmadan planlanmış cevaplarını ve anın anlık ihtiyaçlarını dengelemek için çabalar.

Bilinç ve Hastalık

DMN’nin inişleri ve çıkışları beynin en derin gizemlerinin bazılarına bir içgörü sağlayabilir. O, bilimadamlarına bilinçli aktivitenin  temel bir öğesi olan dikkatin doğasına etkileyici kavrayışı şimdiden sunmuştur. 2008’de, bir uluslararası araştırmacılar takımı DMN’i seyrederek taramadaki bir deneğin bir bilgisayar testini bir hata yapmadan 30 saniye önce söyleyebildiğini bildirmiştir. Eğer varsayılan ağ yönetimi üstlenir ve odaklanılmış konsantrasyonla ilgili alanlardaki aktiviteler azalırsa, o zaman bir hata meydana gelecektir.

Ve gelecek yıllarda, beynin karanlık enerjisi bilincin doğasına ipuçlarını saplayabilir. Pek çok nörobilimadamının itiraf ettiği gibi, dünyayla olan bilinçli etkileşimlerimiz beyin aktivitesinin sadece küçük bir kısmı… Farkındalık seviyesinin altında neler oluyor? Beynin karanlık enerjisi, bilhassa bilinç farkındalığının küçük penceresinde ne deneyimlediğimiz için kaynak sağlamada kritiktir.

Hergünkü deneyimin altında yatan perde arkasının olayları, anlık bakışı göstermenin ötesinde; beynin karanlık enerjisi üzerinde çalışma önemli nörolojik hastalıkları anlama için yeni örnekler sağlayabilir. Zihinsel jimnastikler veya anlaşılması güç hareketler egzersizi tamamlamak için gerekli olmayacaktır. DMN ve diğer karanlık enerjinin merkezleri hızlarıyla sessiz bir şekilde vızıldarken bir deneğin tarayıcının içerisinde yalnızca hareketsiz kalmaya ihtiyacı vardır.

Bu tip araştırma çoktan hastalığa yeni bir ışık tutmuştur.Beyin-imajlama çalışmaları; Alzheimer’lı, depresyonlu, otizmli ve hatta şizofrenli hastaların DMN bölgelerindeki beyin hücrelerinin arasındaki bozulmuş bağlantıları keşfetmiştir. Aslına bakılırsa Alzheimer, birgün DMN’nin bir hastalığı olarak karakterize edilebilir. Alzheimer’dan etkilenen beyin bölgelerinin bir projeksiyonu, DMN’yi oluşturan alanların haritasına çok düzenli bir şekilde uyar. Böyle modelleri teşhis için biyolojik işaretler yalnızca hizmet etmekle kalmaz, hastalığın nedenlerine ve tedavi stratejilerine de daha derin öngörüler sağlayabilir.

Araştırmacılar şimdi ilerisi için beyin sistemleri arasındaki ve içindeki aktivitenin ne kadar koordine olduğuna, bireysel hücreler düzeyinde nasıl işlediğine ve DMN’nin beyin devreleri aracılığıyla kimyasal ve elektriksel sinyalleri ulaştırmaya neden olduğuna göz atmaya çalışacaklar.

Bu durumda yeni teoriler; hücrelerdeki veriyi, devreleri ve tüm nöral sistemleri birleştirmek için beynin Varsayılan Mod fonksiyonunun karanlık enerjisinin asıl düzenleyicisi olarak gereklidirler. Nöral karanlık enerji zamanla neyin bizi hayatımızda memnun ettiğinin esas niteliği olarak nihayet gözler önüne serilebilir…….

Check Also

Bağırsak Bakterilerinin Alzheimer Hastalığındaki Rolü

İsveç Lund Üniversitesi’nde yapılan yeni bir araştırmaya göre, bağırsak bakterileri Alzheimer hastalığının gelişimini hızlandırabilir. Araştırmayı ...