ÖĞrenmek nediR, neden öĞreniyoruz, nasil öĞreniyoruz

KULLANILAN SİNAPSLAR KALICI OLURLAR-BEYİN ÖĞRENEREK GELİŞİR

Bir ilişkinin-bağlantının kalıcı olabilmesi için, bir hücrenin-nöronun belirli bir anda bir başka hücreye-nörona sinaptik bir bağla bağlanması yetmiyor! İlişkinin kalıcı olabilmesi için, bu bağlantının sürekli kullanılıyor olması da gereklidir. Peki nasıl oluyor da kullanılmak bir sinapsın yok olmasını engelliyor, onun kalıcı olmasını sağlıyor? Postsinaptik bir hücreyle presinaptik bir hücre arasında ne geçiyor da, bu, aradaki bağlantının kalıcı olmasına neden oluyor? Ya da, daha başka bir şekilde ifade edersek, bir etkinlik (Aktivität) bir bağlantıyı nasıl daha kuvvetli hale getiriyor?

Kanadalı Psikolog Donald Hebb 1949 da şöyle bir tez ortaya attı: Eğer aynı anda aktif hale gelirlerse, presinaptik bir nöronla postsinaptik bir nöron arasındaki bağlantı kuvvetlenir. Hebb’in kelimeleriyle ifade edersek: “Eğer bir A hücresi-nöronu- bir B nöronunu tekrar tekrar etkiler de aktif hale getirirse, ya da onun aktif haline iştirak ederse, bu durumda A ile B arasında A nöronunun B nöronunu etkileme gücünü arttıracak belirli metabolik süreçler (gelişme-büyüme süreçleri) meydana gelir”. Bunu, “birlikte aktif hale gelen hücreler-nöronlar biribirlerine daha kuvvetli bir şekilde bağlanırlar” diye de ifade edebiliriz.
Hebb’in yetişkinlerde öğrenmenin ve hafızanın nasıl gerçekleştiğini açıklamaya yönelik bu ilkesini daha ileriki bölümlerde bütün ayrıntılarıyla tekrar ele alacağız. Şu an bizim için önemli olan, beynin gelişmesinin ilk dönemlerinde, sinapsların daha ilk oluşum sürecinde bile gene aynı ilkenin geçerli olduğunun altını çizmektir. Çünkü beyin, ancak geliştikten sonra (yani ancak yetişkinlerde) informasyonları işlemeye başlayarak öğrenmeyi sağlayan bir makine değildir; o, daha işin başından itibaren öğrenerek gelişen, öğrenerek kendini inşa eden bir oluşumdur.
Görme korteksinde (beyin kabuğundaki görme merkezi) nöronal bağlantıların nasıl oluştuğuna bakalım. Gelişmenin belirli bir döneminde, gözlerde meydana gelen etkinliklere ilişkin elektriksel dalgalar, görme korteksinde bazı hücrelerin bir göze, bazılarının da diğer göze karşılık vermelerine neden olurlar. Tek bir gözdeki hücrelerin aynı anda aktif hale gelmeleri daha çok ihtimal dahilinde olduğundan (yani iki gözdeki hücrelerin hepsinin birden aynı anda aktif hale gelmeleri daha az ihtimal dahilinde olduğundan), bir gözden gelen presinaptik inputların korteksteki belirli postsinaptik hücreleri aynı anda aktif hale getirmeleri, her iki gözden gelen inputların aynı anda bu postsinaptik hücreleri aktif hale getirmelerinden daha kolaydır (her iki gözden gelen inputlar sinkron olamayacakları için bunların postsinaptik kortikal hücreleri aynı anda aktif hale getirmeleri de çok zordur). Bu durumda, Hebb İlkesine göre, ancak bir göze ilişkin presinaptik ve postsinaptik hücreler arasındaki bağlantılar daha kuvvetli olacaktır. İşte kortekste her iki göze ilişkin görme alanlarının farklı olmasının nedeni budur [12]. Bu durumda, her iki göz de korteksteki görme merkezine bu şekilde öğrenerek bağlanmaktadır. Gözlerden gelen görme sinirleriyle korteksteki nöronlar arasında kurulan bağlar, öyle ne olduğu belli olmayan “genetik”-“intrinsic” bağlar olmayıp, gelişme süreci içinde ortaya çıkan ve öğrenilerek oluşan bağlardır. Çevreden gelen informasyonlara cevap verirken aynı anda aktif hale gelen retinal nöronlar, daha sonra, önce Thalamusta, ardından da görme merkezinde, belirli postsinaptik hücreleri tekrar tekrar aktif hale getirerek, onları da kendi aktif hallerine iştirak ettirirler. Ve bu şekilde, postsinaptik bu hücrelerle aralarında kalıcı sinaptik bağlantıların oluşmasına yol açarlar. Beynin öğrenerek oluşma-gelişme sürecinin özü budur. Beyinde oluşan kartların-haritaların esası da bu öğrenme mekanizmasıdır.
Hebb İlkesine göre açıklanan bu öğrenme-öğrenerek gelişme sürecinin temelinde yatan nörotransmitter mekanizmasına gelince, hemen hemen bütün ayrıntılarına kadar bilinen bu mekanizmayı da şöyle açıklıyor Le Doux: “Burada baş rolü oynayan Glutamattır. Presinaptik nöronun salgıladığı Glutamat iki tür postsinaptik alıcıya bağlanır. Bunlardan birincisi postsinaptik hücrenin aktif halde olduğunu kaydederken, diğeri de hangi presinaptik sinir ucunun postsinaptik hücreye bağlandığını ve onunla aynı anda aktif halde olduğunu kaydeder. Böylece, postsinaptik hücre, presinaptik hücreyle nerede, hangi noktalarda aynı anda aktif halde olduklarını belirler, ki bu da onun aktif halde olan bütün bu presinaptik sinir uçlarıyla kalıcı ilişkiler kurmasına neden olur” [12].
Bu süreçte rol oynayan bir diğer önemli molekül grubu da Neurotrophine dir. Bu, daha önce de belirttiğimiz gibi, nöronların yaşamlarını devam ettirebilmelerine yardımcı olan güçlendirici (tonisierende) bir maddedir. Ama o, sadece doğal seçme yoluyla nöronların hayatta kalmalarında değil, aynı zamanda, mevcut bağlantıların güçlendirilmelerinde de önemli bir rol oynar. Eğer postsinaptik bir hücre bir aksiyonpotansiyeli oluşturursa, bunun arkasından hemen Neurotrophine salgılar. Ve bu da sinaps üzerinden geriye doğru giderek presinaptik sinir hücresi tarafından alınır. Neurotrophine tarafından tahrik edilen presinaptik sinir hücresi yeni aksonlar oluşturur ve bunlar da postsinaptik hücreyle yeni sinaptik bağlantılar kurarlar. Neurotrophine ancak aktif halde olan, yani kısa bir süre önce nörotransmitter salgılamış olan presinaptik hücreler tarafından alınabileceği için, sadece bunlar yeni bağlantılar oluşturabilirler. Yani etkinlik (Aktivität) sadece aktif olan hücreleri içine alan bir büyümeye, oluşuma neden olur [12].

NÖRAL HARİTALARIN OLUŞUMU

Çoğu durumda, aynı ya da benzer tip oldukları halde, farklı pozisyonlara sahip nöronlardan çıkan aksonlar yol boyunca biraraya gelirler ve hedefe kalın bir sinir demeti şeklinde ulaşırlar. Sonra, hedefe varınca, bunlar tekrar dağılırlar ve buradaki farklı yerlere bağlanırlar.

Gözün beyne bağlanması bunun en güzel örneğidir. Retinadaki görsel informasyonu beyne taşıyan nöronlara “retinal ganglion hücreleri” deniliyor. Burada (her gözde) bunlardan bir milyonun üstünde mevcuttur. Bunların her biri görme alanının bir noktasındaki durumu rapor eder. Sonra, bunların aksonları gözün arkasında optik siniri oluşturacak şekilde biraraya gelirler ve hep birlikte beyne giderler. Thalamus, orta beyinde bir hücreler topluluğu-alt sistem- olarak, omurgalıların çoğunda bir terminal noktasıdır. Buradaki nöronlarla ilişkiye geçerek bunlarla bağlantılar kuran retinal nöronlar burada da aynen retinada olduğu gibi bir dağılımla temsil olunurlar. Yani, retinada biribirlerine komşu olan ganglion hücreleri thalamusta da biribirlerine komşu olan hücrelere bağlanırlar. Böylece thalamusta, retinadaki hücrelerin düzenli bir şekilde temsil edildiği-görsel “retinotopic” bir harita ortaya çıkar.
Bu türden düzenli haritalara beyinde birçok bölgede raslarız. Örneğin duyma sisteminde, kulaktan beyne uzanan nöronlar, burada “tonotopic” bir düzen içinde dizilerek beyin hücrelerine bağlanırlar. Bu şekilde, beyinde, farklı bölgelerden gelen informasyonları temsil eden, bu informasyonları taşıyan aksonların bağlandıkları postsinaptik hücrelerin oluşturduğu haritalar ortaya çıkar. Dokunma duyusu için de böyledir bu.

Şek.13³⁷

Nöronların dokunma yoluyla aldıkları informasyonlar beyin kabuğunda sanki bir Homonculus³⁸ gibi temsi olunurlar. Vücudun dış kısmının, biraz bozulmuş, deforme olmuş iki boyutlu bir haritasıdır bu. Daha hassas kısımlar daha fazla nöronla temsil edildikleri için, harita organların büyüklüğüne göre olmaz, onun deforme olmuş görünümünün nedeni budur.
Optik Thalamustaki “retinotopic” harita bütün bu haritalar içinde en karakteristik olanı olduğu için, bu harita nasıl ortaya çıkıyor, işin biraz ayrıntılarına girerek şimdi onu görelim:
Büyüme konisi aslında aksonları farklı hedeflere doğru yönlendiren bir tür yol göstericidir. Otobahnda her şöförün belirli bir şeridi izlemek zorunda olması gibi, bunlar da belirli bir yol-Bahn- üzerinde kalırlar. Kurbağalar üzerinde yapılan deneylerde bir kurbağanın optik siniri kesildiği zaman bunun sonra tekrar geliştiği görülmüştür . Retinal aksonlar tekrar Thalamus’a doğru uzarlar ve aynı tablo tekrar oluşur. Eğer bu kesilme anında göz kendi deliğinde döndürülür de, aslında ön kısımda bulunan retina hücreleri, retinanın arkasında bulunan hücrelerin yerine getirilirse, buna rağmen görme işlemi gene devam eder, ancak belirli hatalarla! Hayvan sanki yukarıyı aşağı, sağı sol görüyormuş gibi davranmaya başlar. Bunun nedeni, yerleri değiştirilmiş retinal hücrelerin Thalamus’da mevcut durumlarına uygun bağlantılar içine girmeleridir. Yani retinal hücreler Thalamus’ta değiştirilmiş durumlarına uygun ilişkiler kurarlar. Öyle anlaşılıyor ki, hücrelerin belirli pozisyonal değerleri vardır, pozisyona bağlı biyokimyasal özellikleri onların orijinal pozisyonlarını temsil etmektedir. Bunun sonucu olarak da retinanın iki yanındaki hücreler özünde biribirlerinden farklıdırlar. Aynen, omurilikte bulunan ve farklı adalelere uzanan motor nöronların farklı olmaları gibi. Nöronlar arasındaki bu eşitsizliğe “nöronların kendine özgü olmaları” (nöronal specificity) deniyor [6,10,12].
İşte, nöronların bu kendine özgü karakterleridir ki, retinadaki nöronların Thalamustaki (ve daha sonra da beyin kabuğundaki) hedef noktalara ulaşmalarını sağlayan da budur. Nitekim de, aksonlar bu hedef hücreleri kolayca ayırdedebilirler. Çünkü, bunların (bu aksonların) üzerinde onların pozisyonlarını işaretleyen belirli etiketleri bulunur. Nöronal harita, bu şekilde, pozisyonal işaretlemeyi sağlayan iki sistem arasındaki uyumla gerçekleşir. Bunlardan biri retinada diğeri de Thalamustadır. Ancak biribirleriyle uyum halinde olan hücreler biribirlerine bağlanabilirler. Retinadan gelen aksonlar, üzerlerindeki moleküler etiketlere göre, Thalamustaki itici ve çekici moleküllere farklı cevaplar verirler. Örneğin, retinanın “nasal” yani buruna yakın kısmından gelen aksonlar Thalamusun arka kısmına (posterior) giderlerken, “temporal” retinadan (burundan uzaktaki taraf) gelenlerse Thalamusun ön kısmına (anterior) uzanırlar, aradaki kısımlardan gelenler de aralara yerleşirler. Eğer bir temporal retinal büyüme konisi posterior Thalamus tarafına dokunacak olursa, onun “folopolia’ları” hemen geri çekilirler [6].
Başlangıçta dağınık, rasgele kurulan sinaptik bağlantıların zamanla, etkinliğe-aktiviteye bağlı olarak yeniden oluşacalarını, daha kuvvetli bağlantılar haline geleceklerini söylemiştik. Bu sürece bağlı olarak beyindeki haritalar da başlangıçtaki karmakarışık, biraz da silik görünümlerini değiştirirler ve giderekten daha düzenli haritalar haline gelirler.
Beyinde oluşan bir haritanın daha da mükemmel hale gelmesi için düşünülen bu mekaniz-manın işleyebilmesi için biribiriyle yarışan iki önemli kurala ihtiyaç bulunmaktadır. Bunlardan birincisi: Retinanın farklı bölgelerinden gelen ve farklı zamanlarda aktif olan hücreleri temsil eden aksonların, Thalamusta belirli bir etkinliğe sahip olabilmek için yarışıyor olmalarıdır. İkincisi ise: Retinada aynı bölgede bulunan ve aynı anda aktif hale gelen komşu hücrelerin (bu hücreleri temsil eden aksonların), Thalamusta da gene aynı anda aktif hale gelen komşu hücrelere bağlanmalarıdır. Bu kuralların altında yatan ve sistemi işleten mekanizma ise, sinapsların elektriksel aktiviteleri oluyor. Örneğin, eğer Na⁺ (voltage-gated) kanalları buraya bağlanan toxinler tarafından bloke edilecek olursa, sinapsların şekillenmeleri durur ve harita da belirsiz olarak kalmaya devam eder [6,10].
Sinapsların oluşumunun ve tasfiyelerinin hücresel mekanizması hakkında daha geniş bilgiyi, omurgalı embriyosunda, iskelete bağlı adalelerin sinir sistemine bağlanmalarıyla ilgili yapılan laboratuar deneylerinden elde ediyoruz. Burada, akson terminalleriyle adale hücreleri arasındaki iki yönlü sinyal alış verişi sinapsların oluşumunu kontrol eder. Kontakt bölgelerinde, adale hücre zarında toplanan acetylcholine alıcılarına karşılık, akson terminallerinde de, bu nörotransmitterin salgılanması için gereken mekanizma mevcuttur. Her adale hücresi önce birçok nörondan sinapslar alır, fakat sonunda, bunlardan bağlanmış olarak sadece bir tanesi kalır. Burada, sinapsların çözülüşü-yok oluşu sinaptik komünikasyona-kullanıma bağlıdır. Eğer, hücre zarındaki acetylcholin alıcısını bloke eden bir toksin tarafından sinaptik iletişim bloke edilirse, adale hücresi çok sayıdaki sinapsları muhafaza etmeye devam eder [6,10].
İskelete bağlı adale sistemi, ya da retino-Thalamus sistemi üzerinde yapılan deneylerden de anlaşıldığı gibi, bir sinapsın muhafaza edilmesi için sadece onun sahip olduğu elektriksel aktivite yeterli değildir, bunun yanı sıra onun temporal-zamana bağlı koordinasyonu da önemlidir. Çünkü, bir sinapsın kuvvetlenmesi veya zayıflaması, aynı hedef hücreye bağlanan iki presinaptik hücrenin sinkronize (eş zamanlı) olarak aktif halde olup olmadıklarına bağlıdır.

Retinanın farklı bölgelerinden gelen aksonlar farklı zamanlarda aktif olurlar, bu yüzden de kendi aralarında yarış halindedirler. Her seferinde, onlardan biri aktif hale geldiği zaman, bu, diğerinin yaptığı sinapsı zayıflatır. Bu durum, o hücreye bağlı tek bir akson kalana kadar devam eder. Komşu retinal hücreden gelen aksonlar ise biribirleriyle aynı anda-sinkron aktif hale geldikleri için, bunlar rekabet etmezler, ortaklaşa kullanılan alandaki sinapslarını kuvvetlendirerek muhafaza ederler. Sonuçta, retinadaki komşu hücrelerin Thalamusta da komşu hale geldikleri mükemmel bir harita ortaya çıkmış olur [6,10].

Memelilerin beyninde iki gözden gelen inputları taşıyan aksonlar özel bir merkezde (beyin kabuğunda görme merkezinde) bir araya gelirler. Bunlar burada dış dünyanın biribirine geçen iki haritasını oluştururlar. Bunlardan biri sol, diğeri de sağ göz tarafından algılanan görüntülerden oluşmaktadır. Eğer belirli bir kritik periyodun içindeyken (insanlarda bu beş yaşında sona eriyor) bir göz kapatılırsa, kapanan bu göz sinaptik bağlantılarını kaybeder ve geri dönüşü olmayacak şekilde kör kalınır. Çünkü, bağlanma kuralına (Hebb) göre, aktif olmayan sinapslar yok olmaktadır. Aynı şekilde, eğer kritik dönemde her iki göz de aynı sahneyi aynı anda görmekten engellenirse (önce bir gözü, sonra da diğerini bağlayarak), bu sefer de kortekste hiç binocular (her iki göze de hitabeden) hücre kalmaz ve derinliği görme (stereo) yeteneği bir daha geri dönmemek üzere kaybolur. Çünkü, iki gözün birlikte görme yeteneği (stereo vision), görme korteksinde, her iki gözden de aynı anda informasyonlar alan hücrelerin (binocular) bulunmasına bağlıdır. Ancak, Hebb İlkesi’ne göre, her iki gözden gelen informasyonların binocular işleyen bu nöronlarda biribirlerine bağlanabilmeleri için, bunların buraya aynı anda gelmeleri, bu informasyonları taşıyan aksonların, aktif haldeyken, ortaklaşa bağlanacakları nöronları da aktif hale getirmeleri gerekir. Bu ise her iki gözün de aynı anda bakmasıyla mümkündür. Eğer kritik dönemde bu engellenirse, iki gözün birlikte görmesini sağlayan sinaptik bağlantılar da oluşmazlar. Daha başka bir deyişle, her iki göz de birlikte görmeyi öğrenemezler..
Yetişkinlerin öğrenme ve öğrendiklerini muhafaza etme-hafıza- sistemlerinin ve bunun temelinde yatan sinaptik bağların oluşumunun, gelişme sürecinde beynin oluşumuyla özün-de aynı mekanizmaya dayandığını söyledik. Gerçi bu mekanizmayı (yetişkinlerdeki öğrenme mekanizmasını) daha sonra bütün ayrıntılarıyla tekrar ele alacağız, ama şimdiden, yeri gelmişken şunu belirtelim ki, hangi dönemde olursa olsun (yani ister gelişme döneminde, ister daha sonra), beyindeki sinaptik değişiklikler belirli tipte bir Glutamat alıcısı olan NMDA alıcılarının davranışlarıyla ilgilidir. Bu alıcılar tarafından açılan kanallardan postsinaptik hücreye dolan Ca²⁺ iyonu, bu hücrede (buna bağlı olarak da tabi presinaptik hücrede) iki hücre arasındaki sinapsın kuvvetlendirilmesine, ya da yeni bir sinapsın oluşturulmasına neden olacak değişikliklere yol açar (bu türden yapısal değişiklikler için gerekli olan genetik mekanizmayı harekete geçirir). Ama, altında hangi mekanizma yatarsa yatsın, bütün bu değişiklikler (NMDA ya bağlı olarak meydana gelen bu değişiklikler) gene aynı temel kurala uyarlar: Dış dünyada gerçekleşen ve iki nöronu aynı anda aktif hale getiren olaylar, bu nöronlar arasında sinaptik bağlantıların oluşmasına, ya da mevcut sinapsların kuvvetlenmesine neden olurlar.
Bu bölümü şöyle tamamlayalım: Beyin, sadece yetişkinler için faaliyette bulunan bir informasyon işleme-bilgi üretme makinası değildir; o, aynı zamanda, aynı öğrenme mekanizmasıyla kendi kendisini üreterek-inşa etmiş bir üründür de.