Zekanın nörobiyolojik kökenleri



18-05-2021 01:06

Cigdem Gelegen (cigolem@icloud.com)

İçinde yaşadığı ortamda baş gösteren problemleri kişinin çözebilme yeteneği ya da davranış ve zihinsel esneklik olarak tanımlayabileceğimiz zeka, beynin dış ortamdan gelen uyarı ve bilgileri işleyebilme kapasitesi ile yakından bağlantılıdır. Beynin temel bilgi işleme birimi sinir hücreleri yani nöronlardır. Erişkin bir insan beyninde yaklaşık 100 milyar sinir hücresi bulunup bunun % 80 kadarı özellikle motor hareketlerin kontrolünde önemli olana arka beyin ya da serebellumda konumlanırken sadece %20 kadarı kritik düşünme, karar verme, problem çözme gibi ‘’yüksek’’ işlevlerin yerine getirilmesinde önemli bir yeri olan korteks bölgesinde konumlanır. Her bir sinir hücresi birden fazla sinir hücresi ile iletişim halinde olup bu iletişim noktaları sinaps olarak adlandırılır. Sadece korteks bölgesinde 125 trilyon sinaps bulunur bu da beynin ne kadar karmaşık bir yapı olduğunun açık bir göstergesidir.

Farklı birçok sinir hücresi olmasına karşın bütün bu hücrelerin ortak özelliği elektirik sinyali üretme ve bu sinyali diğer hücerelere aktarmadır. Şekil 1’de de görüldüğü gibi sinir hücreleri temel üç bölümden oluşur. Soma olarak adlandırılan hücre gövdesi genetik materyel ve diğer organellerin yer aldığı bölümdür. Bunun dışında dendrit olarak adlandırılan ve diğer sinir hücrelerinden gelen elektirik sinyalini teslim alan ağaç dalları gibi (birden çok) uzantı vardır. Son olarak da akson olarak adlandırılan ve diğer sinir hücrelerine elektrik sinyalini ileten (tek) bir uzantı bulunur. Burada önemli olan bir kavram da aksiyon potansiyeli olup belirli bir eşik düzeyde uyarımı alan bir sinir hücresi uyarımı takiben bir aksiyon potansiyeli ateşler ve bu şekilde uyarımı kendisinin temas halinde olduğu diğer sinir hücresine iletir. Aksiyon potansiyeli hücreyi çevreleyen zarın elektirik potansiyelinde mili saniye sürecinde gelişen bir voltaj değişimidir. Dinlenme halinde hücreleri saran zarın voltaj potansiyeli negatif seviyededir (-70 mV). Bir uyarımı takiben hücre zarında bulunan iyon kanallarının açılması ile hücre zarının voltaj potansiyeli süratle pozitif seviyeye yükselir. Eğer zar voltaj potansiyeli 40 mV civarına (eşik değer) ulaşırsa hücre aksiyon potansiyeli ateşler ve uyarı akson yoluyla bir sonraki hücreye iletilir ve bu şekilde bilginin hücreler arsı iletimi sağlanmış olur. Buradan da anlaşılacağı gibi hücrelerin aksiyon potansiyeli ateşlemeleri bilgi işlenmesi ve iletimi için elzemdir.

Şekil 2’de görüldüğü gibi sinaps pre-sinaptik hücre, post-sinaptik hücre ve sinaptik boşluk olmak üzere üç temel bileşenden oluşur. Bilgi işlenmesinin temelini oluşturan elektirik sinyalin iletisinde çok önemli olan bu sinapslarda pre-sinaptik hücrenin aksonu post-sinaptik hücrenin dendritine çok yakın konumlanır ve bu şekilde iki hücre arası bilgi transferi sağlanmış olur. Bilgi transferinin olabilmesi için elektirik yüklü, aksiyon potansiyel ateşlemiş, aktif pre-sinaptik hücreden ‘’nörotransmiter’’ olarak adlandırılan sinir ileti maddeleri salgılanır. Bu maddeler sinaptik boşluğa bırakıldıktan sonra post-sinaptik hücre yüzeyinde konumlanan reseptör moleküllere bağlanır ve bu bağlanma post-sinaptik hücrenin aktivitesinde düşme ya da yükselmeye neden olur. Burada post-sinaptik hücrenin aktivitesinde olacakları belirleyen temel faktör pre-sinaptik hücreden salınan ileti maddesinin niteliğidir. Glutamat beyindeki en temel uyarıcı ileti maddesi olup glutamat salınması post-sinaptik hücrede uyarıma ve aksiyon potansiyel ateşlemeye neden olurken GABA (gama amino bütirik asit) başlıca baskılayıcı madde olup salınımı post-sinaptik hücre aktivitesinde azalmayı beraberinde getirir.

Bilgi işlenmesinde temel rolü olan bu sinaptik aktivite iki temel kısımdan oluşur. İlk kısım Bütünleyici Etkinlik (Integrative Activity) olup sinir hücresinin dendritleri aracılığıyla diğer hücrelerden elektirik sinyali formunda bilgi teslim alışını gösterir. İkinci kısım ise İletici Etkinlik (Transmissive Activity) olup Bütünleyici süreçten gelen bilginin bir sonraki hücreye akson aracılığıyla iletilmesini tanımlar. Sonuç olarak sinir hücrelerinin dış ortamdan alınan bilgiyi işlemesi için bu iki sürecin hem zaman hem konum boyutunda belli bir düzen içinde ve enerji varlığında devam ettirilmesi gerekir.

Beyin gri ve beyaz maddeden oluşur. Gri madde sinir hücrelerinin gövdelerini içerirken beyaz madde bu hücrelerin akson uzantılarını içerir. Bu nedenle gri madde bilgi işleminin bütünleyici aşamasında, beyaz madde ise iletici aşamasında önemlidir. Zekanın kökenleri üzerine yapılan ilk çalışmalarda zeka seviyesi yüksek olan bireylerin korteks bölgelerinde gri maddenin daha kalın olduğu gösterilmiş buna karşın kalın gri maddenin kökeni hücresel düzeyde tam anlaşılamamıştır. 2018 yılında eLife dergisinde yayınlanan bir çalışmada yüksek zekaya sahip bireylerde korteks beyin bölgesinin temel hücreleri olan piramid nöronlara ait dendrit uzantılarının daha geniş ve kompleks yapıda oldukları gösterilmiştir. Daha geniş yapıda olan dendritler aksiyon potansiyellerin daha hızlı ateşlenmesine olanak tanıyarak bilginin işlenme ve bir sonraki hücreye iletilme sürecini normal dendrit yapısı olan bireylere oranla çok daha hızlandırır. Yani, geniş dendritler aksiyon potansiyelin daha hızlı oluşumuna olanak tanıyarak bilgi işlenmesi sürecinin zamansal duyarlılığını arttırır. Hızlı aksiyon potansiyel ateşleyen hücreler hızlı sinaptik girdilere yanıt verebilir, keza aksiyon potansiyel ateşleme yavaş olsaydı bu hızlı girdiler kaçırılabilirdiç Yani, geniş dendrite sahip olan hücreler hızlı girdileri de işleyebilir; sonuçta normal zekada bireylere oranla bu bireylerde daha fazla bilgi kodlanır. 

Yine 2018 yılında Nature dergisinde yayınlanan bir diğer çalışmada yüksek düzeyde zekası olan bireylerde bilgi işlenmesinde çok önemli olan paryetal ve frontal korteks bölgelerinde işlev gören sinir hücrelerinde dendrit yoğunluğu ve dendrit dallanmasının normal zekada bireylere oranla daha  düşük olduğu, yani IQ değeri ile dendrit yoğunluğu ve dallanması arasında negatif bir ilişki olduğu gösterilmiştir. Bu veri ‘’daha fazla sinir hücresi kütlesi daha fazla bilgi işleme potansiyeli ile ilişkilidir’’ düşüncesine her ne kadar uymasa da burada önemli olan iki nokta vardır. İlk olarak sinaptik bağlantıların, zeki bireylerde olduğu gibi minimum sayıda dendrit uzantısı ile gerçekleştirilmesi ‘’noise’’ yani gürültü olarak adlandırdığımız, bilgi niteliğinde olmayan sinaptik girdilerin gerçek bilgilerden ayrılmasına önemli düzeyde katkıda bulunur.  Öte yandan bağlantıların en az dendrit dallanması ile gerçekleştirilmesi enerji kaynaklarının boşa sarfedilmeden daha stratejik ve planlı kullanımını sağlar. Bu da sonuç olarak bilginin kodlanması ve akıl yürütme, mantıklı düşünme sürecinde beynin bilişsel etkinliğini rafine eder.  

Bu verilerden kaynaklanarak sorulabilecek soru şu olabilir – insanlarda gen ya da sinir hücresi modifikasyonu bazlı yöntemler kullanarak zeka seviyesini arttırmak mümkün müdür? Bu sorunun yanıtını bir sonraki seferde yazının devamında verebiliriz.


https://www.nature.com/articles/s41467-018-04268-8

https://elifesciences.org/articles/41714