HABER

Yayın Tarihi: 5 Kas 2014 | Konuk Yazarlar

0

KAYBOLMAYAN BEYİN

‘Şu köşeyi dönünce solda olması gerekiyor’. Tanıdık geldi mi? Bilmediğimiz bir yeri haritadan değil de beynimizin kendi yön tayin mekanizmasına bıraktığımız zaman hepimizin az ya da çok kullandığı bir tabirdir bu. Hoş, harita olduğu zaman da kullandığımız olmuştur. Bazı insanlar yön konusunda çok iyidir, bazıları ise kötü. Ancak herkes nereye gideceğini bilemese de nerede olduğunu çok iyi bilir. Kimimiz için çok karmaşık bir metro ağında nerede olduğumuzu ve nereye gideceğimizi çözmek bir kaç saniyelik iştir. Aslında yön tayini farelerin deneylerdeki labirent düzeneklerinde ihtiyacı olan bir özellik, ne hoş ki bu özellik biz insanlarda da var.

Resim 1 | John O’Keefe, May-Britt Moser, Edvard Moser | Kaynak

Resim 1 | John O’Keefe, May-Britt Moser, Edvard Moser | Kaynak

2014 Nobel Fizyoloji ya da Tıp Ödülü, Karolinska Enstitüsü tarafından, nerede olduğumuza ve bir yerden bir yere giderken hangi yolu kullanmamız gerektiğine karar vermemizi sağlayan iki tip hücreyi keşfeden, John O’Keefe, May-Britt Moser ve Edvard Moser isimli üç biliminsanına (Resim 1) verildi. Bu keşfe de kısaca -beğenin ya da beğenmeyin- içimizdeki GPS’in keşfi denildi. Aynı zamanda bu hücrelerin keşfi bize inmenin, bunamanın (Alzheimer gibi) bu yön bulma mekanizmasına etkisinin ne olduğu, bununla beraber öğrenme etkinliklerinin ve hafızanın nasıl çalıştığı ile ilgili de fikir veriyor.

 

Konum saptayan hücreler

Resim 2 | Soldaki resim farenin belirli bir alan içerisindeki hareketini ve konum hücrelerinin buna bağlı aktivitesini anlatıyor. Resmin tümünü kaplayan gri kare farenin bulunduğu alanı, koyu gri çizgiler ise izlediği yolu gösteriyor. Fare bu alan içerisinde belli bir konumda bulunduğu zaman konum hücreleri aktivitesini artırıyor. Turuncu noktalar bu hücrelerin aktive olduğu konumları, turuncu alan ise “konum alanı” denilen bölgeyi temsil ediyor. Sağdaki resim farenin hipokampus bölümündeki konum hücrelerinin yerini gösteriyor. | Kaynak

Resim 2 | Soldaki resim farenin belirli bir alan içerisindeki hareketini ve konum hücrelerinin buna bağlı aktivitesini anlatıyor. Resmin tümünü kaplayan gri kare farenin bulunduğu alanı, koyu gri çizgiler ise izlediği yolu gösteriyor. Fare bu alan içerisinde belli bir konumda bulunduğu zaman konum hücreleri aktivitesini artırıyor. Turuncu noktalar bu hücrelerin aktive olduğu konumları, turuncu alan ise “konum alanı” denilen bölgeyi temsil ediyor. Sağdaki resim farenin hipokampus bölümündeki konum hücrelerinin yerini gösteriyor. | Kaynak

60’lı yılların sonlarına doğru Londra Üniversitesi’nde  fare beyninin hipokampus bölgesi üzerinde çalışan 1939 ABD doğumlu sinirbilimci John O´Keefe ve çalışma arkadaşı Jonathan Dostrovsky, farelerin belli mekanlarda bulunuyorken etkinliği artan bir grup hücre keşfettiler ve bunlara “konum hücreleri” ismini verdiler (Resim 2). Konum hücreleri, beynin hipokampus (Resim 3) adlı yapısında yer alıyor. Bu hücreler özellikle konum ile ilgilendikleri için, bulunulan konum hakkında beyin tarafından edinilen herhangi bir bilgi bu hücrelere ulaşıyor. Bu hücrelerin bazılarının, canlı (bu durumda fare) belirli bir konumda iken etkinlikleri artıyor ve canlı bu konumdan tekrar geçerse yine artıyor. Bu belirli konumlara da “konum alanı” deniliyor. Eğer canlı bir konumdan başka bir konuma geçerse bu sefer hipokampusun başka bir bölümündeki konum hücrelerinin etkinlikleri artıyor. Yani canlının iki konum arasındaki farkı bu hücrelerin etkinlikleri oluyor. O’Keefe’in 7 yıl sonra yayınladığı bir çalışmasına göre ise fareler daha önce geçtikleri bir konumdan tekrar geçtiklerinde ilgili konum hücrelerinin etkinlikleri daha hızlı bir biçimde artıyor. Bu etkinlik artışları belli bir konumda belli bir şekilde artıyor. Yani belli bir etkinlik artışı, bir konumun fonksiyonu olarak gösterilebiliyor.

Resim 3 | Hipokampus beynin hafıza ile ilgili etkinliklerine dair bölümü. 1953’te ağır epilepsi nöbetlerinin tedavisi için hipokampusu alınan bir hastanın (Henry Molaison), o ünlü ameliyat sonrasında yaşadıklarını hafızasında tutamaması, dünyaya hipokampusun hafıza etkinliklerinde rolü olduğu gerçeğini göstermiştir. Bazı araştırmacılara göre hipokampus hafızanın tek merkezi, diğerilerine göre ise büyük bir hafıza etkinlik ağının sadece bir bölümü. Resimdeki kırmızı bölge insan hipokampusunun kafa içerisindeki konumunu gösteriyor. | Kaynak

Resim 3 | Hipokampus beynin hafıza ile ilgili etkinliklerine dair bölümü. 1953’te ağır epilepsi nöbetlerinin tedavisi için hipokampusu alınan bir hastanın (Henry Molaison), o ünlü ameliyat sonrasında yaşadıklarını hafızasında tutamaması, dünyaya hipokampusun hafıza etkinliklerinde rolü olduğu gerçeğini göstermiştir. Bazı araştırmacılara göre hipokampus hafızanın tek merkezi, diğerilerine göre ise büyük bir hafıza etkinlik ağının sadece bir bölümü. Resimdeki kırmızı bölge insan hipokampusunun kafa içerisindeki konumunu gösteriyor. | Kaynak

Belirli bir konumda olmak canlı için ne anlama geliyor?

Konum hücreleri çoklu alıcıya sahip hücreler. Dolayısıyla hücre bulunduğu yerin neresi olduğuna dair bilgileri çok sayıda farklı uyarıdan alıyor. Bu uyarı çeşitleri, bulunulan konumun simgesel özelliklerinden oluşuyor. Bu bir mekandaki belirli bir renk, koku, konumun herhangi bir noktasındaki doku, hatta canlının o mekanda ne yapacağı veya orada neden bulunduğu bilgisi olabiliyor. Bu tür uyartıların ortak özelliği, sürekli, başka bir kelimeyle istikrarlı olması. Bir konumdaki sabit diyebileceğimiz değişmez özellikler, bu uyarının oluşup konum hücrelerine ulaşmasını sağlıyor ve bu da bizim bir konumda bulunduğumuz bilgisinin var olmasında rol oynuyor. 1987 yılında yapılan bir çalışmaya göre canlının bulunduğu konumun genişliği ve yüksekliği arttığı zaman, o canlının konum alanı olarak düşündüğü alan da aynı anda artıyor. Yani farenin belli bir konum diyebileceği bir alan, bulunduğu çevrenin büyüklüğüyle bire bir bağlantılı.

Bir kutuya kuşbakışı baktığınızı ve kutunun en aşağıda kalan bölümünün güney, en yukarıda kalan bölümünün ise kuzey olduğunu farz edin. Bir çalışmaya göre, örneğin, bir hücre fare bulunduğu bir kutunun en güneyinde (yani kutunun bittiği noktanın farenin güneyinde kaldığı noktada) yer aldığı zaman etkinlik artışı oluyor ise, fare biraz da kuzeye götürülüp farenin güneyinde kalan bölgeyi kutunun duvarları gibi bir duvar ile kapattıklarında aynı etkinlik artışı yine görülüyor. Bu da hücrelerin bu etkinlik artışlarını belli bir konuma göre ve özellikle belli bir konumdan (bu durumda kutunun güneyinden) uzaklığına göre ayarladıklarını bize göstermiş oluyor.

Ancak hikaye burada bitmiyor.

Oslo Üniversitesi’nde okuyan Norveç doğumlu iki lisans öğrencisi May-Britt ve Edvard Moser bitirme tezlerini, ikisinin de tutkuyla bağlı oldukları sinirbilim üzerine yapmaya niyetliydiler. Elektrofizyolog Per Andersen gözetiminde hipokampus üzerinde çalışmaya başladılar. Andersen’in Moserlar’dan istediği çok basitti. Bir farenin hipokampusunun ne kadarını kesip alırsanız o fare yeni bulunduğu ortamları daha sonra hatırlamaz? Bundan 10 yıl sonra çift Norveç Bilim ve Teknoloji Üniversitesi’nden (NTNU) bir teklif alıyor. İlginç bir anekdot ise bu NTNU’ya geçmeden önce 1996 yılında Moser çifti ziyaretçi biliminsanı olarak, John O’Keefe’in laboratuvarında bir süre konum hücreleri üzerine çalışıyorlar. NTNU onlara ikisinin de aynı pozisyonda ve aynı araştırma alanında çalışacağı bir teklif sunuyor. Moserlar bunu hemen kabul edip çalışmalara başlıyor. Bundan sonraki yıllarda sinirbilim alanında çalışan birçok kişi, Moser soyismini bilir hale geliyor.

Resim 4 | Farenin beynini bazı değişkenler ile oynayarak dinlediler ve sonuca ulaştılar. Çok kolay, değil mi? Pek öyle sayılmaz. Elektrodların fare beyninin hipokampus ve entorinal korteksine yerleştirilip, şebeke ve konum hücrelerin aktivitesini dinlemek çok da kolay bir iş değil. Bunun için mikroelektrodlar (uçları yaklaşık 1 mikrometre -insan saçının telinden daha ince- olan elektrodlar) kullanılıyor. Örneğin, Moser çiftinin çalışmasında, araştırmacılar bu elektrodları entorinal korteksteki hücrelerin yakınına getiriyor ve o  hücrelerin elektriksel aktivitelerini ölçüyor. Sadece bir hücrenin değil, birkaç yüz hücrenin aktivitesi aynı anda dinleniyor. Bir başka teknoloji ise gen terapisi çalışmalarında da sıkça kullanılan bir organizma kullanılıyor. Virüsler. Sinir hücreleri birbirleriyle elektriksel iletim yoluyla iletişim kurarlar. Araştırmacılar da bu özellikten faydalanarak, hücrelerin birbiriyle olan iletişimini görmek için virüsleri kullanıyor. Işığa duyarlı olacak proteinlerin kodlarını taşıyan virüsler, sinir hücrelerine gönderiliyor. Bu yolla virüsler kendi DNA’larını sinir hücrelerinin DNA’sı ile birleştirerek onları ışığa duyarlı hale getiriyorlar. Farenin beynine yerleştirilen optik fiberler sinir hücrelerine ışık gönderiyor ve yine farenin beynine bağlı bulunan mikroelektrodlar, hücre diğer bir hücre ile iletişime geçtiği zaman oluşan elektriksel aktiviteyi ölçüyor. Bu yöntemin amacı hücrelerin yön tayini konusunda birbirleriyle kurdukları iletişimin fare tarafından oluşturulan bilişsel harita ile ilgisini bulmak. | Kaynaklar: 1, 2

Resim 4 | Farenin beynini bazı değişkenler ile oynayarak dinlediler ve sonuca ulaştılar. Çok kolay, değil mi? Pek öyle sayılmaz. Elektrodların fare beyninin hipokampus ve entorinal korteksine yerleştirilip, şebeke ve konum hücrelerin aktivitesini dinlemek çok da kolay bir iş değil. Bunun için mikroelektrodlar (uçları yaklaşık 1 mikrometre -insan saçının telinden daha ince- olan elektrodlar) kullanılıyor. Örneğin, Moser çiftinin çalışmasında, araştırmacılar bu elektrodları entorinal korteksteki hücrelerin yakınına getiriyor ve o hücrelerin elektriksel aktivitelerini ölçüyor. Sadece bir hücrenin değil, birkaç yüz hücrenin aktivitesi aynı anda dinleniyor. Bir başka teknolojide ise gen terapisi çalışmalarında da sıkça kullanılan bir organizmadan yararlanılıyor: Virüsler. Sinir hücreleri birbirleriyle elektriksel iletim yoluyla iletişim kurarlar. Araştırmacılar da bu özellikten faydalanarak, hücrelerin birbiriyle olan iletişimini görmek için virüsleri kullanıyor. Işığa duyarlı olacak proteinlerin kodlarını taşıyan virüsler, sinir hücrelerine gönderiliyor. Bu yolla virüsler kendi DNA’larını sinir hücrelerinin DNA’sı ile birleştirerek onları ışığa duyarlı hale getiriyorlar. Farenin beynine yerleştirilen optik fiberler sinir hücrelerine ışık gönderiyor ve yine farenin beynine bağlı bulunan mikroelektrodlar, hücre diğer bir hücre ile iletişime geçtiği zaman oluşan elektriksel aktiviteyi ölçüyor. Bu yöntemin amacı hücrelerin yön tayini konusunda birbirleriyle kurdukları iletişimin fare tarafından oluşturulan bilişsel harita ile ilgisini bulmak. | Kaynaklar: 1, 2

Moserlar NTNU’daki laboratuvarlarını kurar kurmaz, laboratuvarın hipokampus üzerine çalışması başlıyor. İlk deneylerde Moser çifti ve çalışma arkadaşları üzerinde çalıştıkları faredeki hipokampusun ve çevresindeki bölümlerin farklı bölgelerine elektrodlar yerleştirip (Resim 4) -farenin beyninin büyüklüğünün bir üzüm tanesi boyutunda olduğunu düşünürsek bu pek de kolay bir iş değil- farklı kimyasallar ile farklı bölgelerin etkinliğini azaltıp, farenin bulunduğu konumda hipokampusun hangi noktasındaki elektriksel aktivitenin ne düzeyde olduğunu ve buna neyin sebep olduğunu bulmaya çalışıyorlar. Aynı zamanda hipokampusun belli bölgelerini inaktive ederek normalde belirli bir konumda aktiviteleri artan hücrelerin, yine elektriksel olarak aktif olup olmadıklarına bakıyorlar. Entorinal korteks isimli beyin bölümünün konum hücrelerinin aktivitesine etkisini de işte bu araştırmada keşfediyorlar. Bu sefer entorinal korteksteki bir sinir hücresinin aktivitesine bakıyorlar. Bu hücrenin enteresan bir şekilde tıpkı konum hücreleri gibi belli bir noktada iken ve belli bir noktadan geçerken de aktifleşiyor olduğunu görüyorlar. Bu enteresan, çünkü konum hücreleri sadece belli bir noktada iken aktif hale geliyorlar. Bu özelliğin üzerine giderek bu hücrelerin aktifliklerini daha çok ölçüyorlar ve görüyorlar ki bu aktiflik haritası hatasız çizilmiş bir şebekeyi (grid) andırıyor (Resim 5). Aslında bu noktalar bu haritayı, bir ustanın yer karosunu döşediği gibi döşüyor. Bu desen asılnda bir altıgen. Bir peteğin desenine de benzediğini söylemek mümkün. Fare bu noktalardan herhangi birinden geçer ya da üzerinde durur ise hücrelerin aktiflikleri artıyor. Bu harita gerçekte var olan bir harita değil. Bu tamamen farenin zihninde gerçekleşen soyut bir olay. İşin güzel yanı Moser çifti bunu farenin beyninden okuyabiliyor. Bu şebekelerin küçük olanları, yani noktalar arasında çok fazla mesafe bulunmayan versiyonu entorinal korteksin üst tarafnda hücreler tarafından yaratılıyor. Büyük olanlarını yaratanlar ise anatomik olarak altta kalan bölgede yer alıyor. Beynin hafıza ile ilgilenen bölümünün yön tayin sistemimizle bir bağlantısı olması, Moser’ların asıl bulgusu denebilir. Şebeke hücreleri 2005 yılında bu deneylerin bir sonucu olarak Nature dergisinde yayınlanıyor.

sebeke hucresi

Resim 5 | Şebeke hücreleri, fare sadece belli bir noktaya geldiği zaman aktive oluyor ve bu aktivasyonu sağlayan konumlar bir altıgeni temsil ediyor. Yani şebeke hücreleri farenin bulunduğu çevredeki bütün alanı sistematik bir şekilde haritalandırmış oluyor. Sol resimde gri kare farenin bulunduğu çevreyi, koyu gri çizgiler izlediği yolu ve mavi noktalar hücrelerin aktive oldukları noktaları gösteriyor. Ortaya çıkan altıgen şeklini bu noktaları birleştirerek görmek mümkün. Sağdaki resim farenin entorinal korteksinde bulunan şebeke hücrelerini gösteriyor. | Kaynak

Tüm bunları bir arada düşünürsek şebeke hücreleri konumdaki yapıları kullanarak bir harita çıkarıyor ve konum hücreleri de bu haritaya belli başlı noktalar ve bu noktalara ulaşma bilgisini ekliyor diyebiliriz. Bu buluşun birden fazla hikayesi, kahramanı ve daha araştırılacak çok daha fazla yönü bulunuyor. O yüzden bu konu, sinirbilimin önemli konularından biri olmaya devam edecek gibi görünüyor.

 

Birkaç not
1. Bu hücrelerin etkinliklerinin ölçüldüğü bir video için sizi buraya alalım.
2. Bu animasyonda mekan alanının (place field) ve bilişsel haritanın (cognitive map) bir gösterimini bulabilirsiniz.
3. 2014 Nobel Fizyoloji ya da Tıp Ödülünün web sayfasını incelemenizi tavsiye ederim. Bu sayfadan ileride O’Keefe ve Moser’lar tarafından verilecek olan Nobel derslerini (Nobel Lecture) canlı olarak izleyebilirsiniz.

 

İlgili makaleler
1. O’Keefe, J., and Dostrovsky, J. (1971). The hippocampus as a spatial map. Preliminary evidence from unit activity in the freely‐moving rat. Brain Research 34, 171-175.
2. Hafting, T., Fyhn, M., Molden, S., Moser, M.-B., Moser, E. I. Nature 436, 801–806 (2005). (Özellikle makalenin ek figürlerine bakmanızı tavsiye ederim)
3. Muller RU, Kubie JL. (1987). “The effects of changes in the environment on the spatial firing of hippocampal complex-spike cells.”

 

Kaynaklar
1. Jeffery, Kathryn (2007). “Integration of Sensory Inputs to Place Cells: what, where, why, and how?”. Hippocampus 17 (9): 775–785.
2. Moser, Edvard, and Moser, May-Britt (2014). “Mapping Your Every Move”. Cerebrum. Mar-Apr-4.

Biyografi

[box type=”shadow”] Konuk Yazar Hakkında: Doğancan Özturan

İstanbul Bilgi Üniversitesi biyomühendislik bölümü son sınıf öğrencisi. | Blog[/box]

Etiketler: , , , , , , , ,


Yazar

Açık Bilim Çevrimiçi Dergisi'ne konuk yazar olarak katkıda bulunmak ve destek vermek isteyebilirsiniz.






Yorum yapın (Facebook, Twitter gibi hesaplarınız geçerlidir.)

Back to Top ↑
  • RSS Bağlantısı

  • Facebook

  • Reklam Alanı

  • E-POSTA LİSTESİ

    Yeni bir yayınımız yayımlandığında e-posta yoluyla haberdar olmak için adresinizi bu alana girin.

    Diğer 898 aboneye katılın

  • Hızlı Takvim

    Kasım 2014
    P S Ç P C C P
    « Eki   Ara »
     12
    3456789
    10111213141516
    17181920212223
    24252627282930