Bugün öğrendim ki: İnsan beyninin toplam vücut ağırlığının sadece %2'sini oluşturmasına rağmen, solunan oksijenin %20'sini, tüketilen enerjinin ise %20'sini kullandığını belirten Dr.
Giriş
"Düşünüyorum, öyleyse varım."
—René Descartes, 17. yüzyıl filozof
Bizden çok azı beynin hayati önemini sorgulamaktadır. Varoluşumuz için hayati önem taşımaktadır. Beynimiz, René Descartes'in yaklaşık 400 yıl önce ustaca belirttiği gibi, düşünmemizi sağlar. Ancak insan beyni çok daha fazlasından sorumludur. Neredeyse yaptığımız her şeyi yönetir. İradeli hareketlerimizi kontrol eder ve nefes alma ve kalp atışı gibi istemsiz aktiviteleri düzenler. Beyin, insan bilincinin merkezi görevi görür: Anılarımızı depolar, duygularımızı hissetmemizi sağlar ve bize kişiliğimizi verir.
Beyin vücut ağırlığımızın yalnızca %2'sini oluşturur, ancak soluduğumuz oksijenin %20'sini ve tükettiğimiz enerjinin %20'sini tüketir. Bu muazzam oksijen ve enerji tüketimi, her saniye beyinde binlerce kimyasal reaksiyonu besler. Bu kimyasal reaksiyonlar, çevremize yanıt vermek için kullandığımız eylemlerin ve davranışların temelini oluşturur. Kısacası, beyin hayatta kalmamızı sağlayan davranışları dikte eder.
Bilim insanları uzun yıllar boyunca beynin karmaşık işleyişini çözmek için çalıştılar. Araştırma çabaları, beyin fonksiyonu anlayışımızı büyük ölçüde geliştirdi. Sadece son on yılda, beyin araştırmasının tüm alanlarındaki bilimsel ve teknik ilerlemeler şaşırtıcı olmuştur. Yeni görüntüleme tekniklerini kullanarak, bilim insanları insan beyninin faaliyette olan halini görselleştirebilirler. Bu teknikler tarafından üretilen görüntüler, dikkat, hafıza ve duygulardan sorumlu beyin bölgelerini tanımlamıştır. Bir dizi keşif (birden fazla çalışma alanında), beyin hücrelerinin kararlı ve değişmez olduğu uzun süredir devam eden varsayımı ortadan kaldırmıştır. Şaşırtıcı bir şekilde, yeni bulgular bazı yetişkin beyin hücrelerinin bölünebileceğini ve büyüyebileceğini göstermektedir! Ayrıca, araştırmadaki ilerlemeler, bilim insanlarının Alzheimer hastalığı ve Parkinson hastalığı gibi kalıtsal beyin bozukluklarının nedenlerini analiz etmelerine ve anlamaları konusunda ilerleme kaydetmelerine olanak tanıyor. Bir araya getirildiğinde, bu keşifler yaralanma veya hastalık nedeniyle kaybedilen sinir sistemi fonksiyonunun iyileşmesi için umut veriyor.
Beyin araştırması alanındaki bu ve diğer önemli ilerlemelerine rağmen, milyarlarca beyin hücresinin bütünleşik işleyişinden sorumlu süreçlerin çoğu bir gizem olarak kalmaktadır. Yeni binyılda beyin üzerine yapılan araştırmalar, bu büyüleyici organı tam olarak anlama çabamız için çok önemlidir. Buna karşılık, daha iyi bir anlayış, yeni tedavi seçeneklerinin geliştirilmesini mümkün kılar. Araştırma, beynin nasıl bir araya getirildiği, nasıl çalıştığı ve beyne verilen hasarın tersine çevrilip çevrilemeyeceği konusunda yeni bilgiler getirmeye devam ediyor.
Herhangi bir bilimsel araştırmanın temel bir yönü, sonuçları halka kolayca anlaşılabilecek bir şekilde iletmektir. Amerikalı halk, bilimsel atılımlar ve keşiflerin medyada yer almasıyla beynin ilgili yeni araştırma bulgularını düzenli olarak öğrenme fırsatına sahiptir. Ancak, aldığımız tüm bilgiler doğru değildir. Televizyon reklamları aracılığıyla tanıtılan ticari ürünler, diğer şeylerin yanı sıra hafızayı geliştirdiğini, konsantrasyonu artırdığını veya depresyonu hafiflettiğini iddia ediyor. Medya, araştırma bulgularını yanlış yorumlamaya açık bir "ses klibi"ne indirgeyebilir. Ek olarak, filmler, televizyon programları ve World Wide Web, beyin yapısı veya fonksiyonu hakkındaki araştırma bulgularının tasvirinde genellikle yanlışlıklar içerir.
Bu mecralar aracılığıyla iletilen bilgileri doğru bir şekilde yorumlamak için, beyinle ilgili temel kavramaları daha iyi anlamamız gerekir. Öğrencilere beyin hakkında kavramsal bir çerçeve sağlayarak, beyin araştırma bulgularını yorumlayabilecek araçlara sahip bilgilendirilmiş bir kamuoyu oluşturma şansımızı önemli ölçüde artırıyoruz. Buna göre, bu ek materyalin amacı, öğretmenlere ve öğrencilere beyin, sinir sistemindeki rolü ve bize öz benlik duygusunu nasıl sağladığı konusunda doğru bilgiler sağlamaktır.
Beyin Hakkındaki Efsaneler ve Gerçekler
Çeşitli medya tarafından sunulan yanlış bilgiler nedeniyle, birçok insan beyin ve beyin fonksiyonu hakkında yanlış anlamlara sahiptir. Ortaokul öğrencileri için ders kitaplarının, beyni insan davranışını kontrol eden organ olarak neredeyse hiç bilimsel bilgi sunmaması sorunu daha da kötüleştirebilir. Sonuç olarak, öğrenciler beyin anlayışlarını gerçekler yerine "kurgular" üzerine kurabilirler. Yapılandırmacı öğrenme modeli, öğrenciler kendi yanlış anlamalarını ortadan kaldırdıklarında, konunun doğru bir şekilde anlaşılmasını oluşturmaya daha açık olduklarını savunmaktadır. Yaygın olarak benimsenen beyin hakkındaki yanlış anlamaların, ardından her kavram hakkındaki doğru bilgilerin yer aldığı aşağıdaki liste, öğretmenlerin bu sorunları sınıflarında ele almalarına yardımcı olmalıdır.
Çeşitli medya tarafından sunulan yanlış bilgiler nedeniyle, birçok insan beyin ve beyin fonksiyonu hakkında yanlış anlamlara sahiptir.
Efsane: Beyin sinir sisteminden ayrıdır.
Gerçek: Öğrenciler genellikle beyin ve sinir sisteminin ayrı, birbirleriyle ilişkisi olmayan varlıklar olduğunu varsayarlar. Dahası, ortaokul öğrencileri üzerinde yapılan anketler, genellikle kalp ve akciğer gibi organların sinir sisteminin bir parçası olduğuna inandıklarını göstermiştir. Gerçekte, sinir sistemi yalnızca beyin, omurilik, nöronlar ve sinir destek hücrelerinden oluşur. Sinir Sistemi: Bileşim ve Organizasyon bölümünde sinir sisteminin bileşenleri hakkında daha ayrıntılı bilgi verilmektedir.
Efsane: Beyin tekdüze bir doku kütlesidir.
Gerçek: Ortaokul öğrencilerinin beyin anatomisine genellikle maruz kaldıkları tek şey, gri, ampul şeklinde, kırışık bir doku kütlesinin fotoğrafı veya çizimidir. Bu, öğrencilerin beynin her yerde tekdüze olduğuna inanmalarına yol açabilir. Beyin kaba anatomik düzeyde tekdüze görünebilir, ancak aslında milyarlarca özelleşmiş hücreden oluşur. Nöronlar ve glia olarak adlandırılan bu hücreler, beyin içinde daha da özelleşmiş fonksiyonel bölgelere ayrılmıştır. Beyin içindeki bu tür bir varyasyon, insan vücudunun "komuta merkezi" olarak işlev görmesini sağlar. Beynin hücresel doğası, Sinir Sisteminin Hücreleri bölümünde ele alınmaktadır.
Efsane: İradeli aktivitenin kontrolü beynin tek amacıdır.
Gerçek: Beynimizi ne zaman kullanıyoruz? Öğrenciler, düşünmek veya fiziksel bir eylem gerçekleştirmek gibi bir şey yaparken beyinlerini yalnızca kullandıkları konusunda yanlış bir anlayışa sahip olabilirler. Çoğu öğrenci, hayatta kalmamız için çok önemli olsa da bilinçli düşünmeyi gerektirmeyen çeşitli aktiviteler için beyinlerimizi sürekli kullandığımızı fark etmez. Örneğin, insan beyni, kalp atışını, solunumu ve göz kırpmayı düzenlemek gibi istemsiz aktivitelerden sorumludur. Beyin hem istemli hem de istemsiz aktiviteleri kontrol etse de, beynin farklı bölgeleri her görev türüne ayrılmıştır. Beyin tarafından kontrol edilen aktiviteler, Beyin bölümünde incelenmektedir.
Efsane: Omurga sütunu ve omurilik aynı şeydir.
Gerçek: Çoğu öğrencinin insan omurgasına maruz kaldığı tek şey, iskelet modellerinde bir bileşendir. Bu nedenle öğrenciler omurganın yalnızca omurga sütunundan veya omurgadan oluşan iskelet yapısından oluştuğunu varsayabilirler. Kendi omurgalarını hissedebilirler ve bunun vücutlarının yapısal bir bileşeni olduğunu bilirler. Öğrenciler omurganın sinir sistemimizin hayati bir parçası olan omuriliği sardığının farkında olmayabilirler. Omuriliğin bileşenleri ve fonksiyonları, Omurilik bölümünde açıklanmıştır.
Efsane: Beyin değişmez.
Gerçek: Büyüme durduktan sonra beynin değişmediği fikri, öğrencilerin sahip olduğu en büyük yanlış anlayış olabilir. Aslında, beyin yaşam boyunca değişir. Embriyonik gelişim ve erken yaşamda beyin dramatik bir şekilde değişir. Nöronlar birçok yeni bağlantı oluşturur ve bazı nöronlar ölür. Ancak bilim insanları, beynin değişimlerinin yalnızca erken yaşamla sınırlı olmadığını keşfettiler. Yetişkin beyninde bile, nöronlar öğrenmeye devam ettikçe yeni bağlantılar oluşturmaya, mevcut bağlantıları güçlendirmeye veya bağlantıları ortadan kaldırmaya devam ederler. Son çalışmalar, yetişkin beynindeki bazı nöronların bölünme yeteneğini koruduğunu göstermiştir. Son olarak, koşullar uygunsa hasarlı nöronların yenilenme yeteneği vardır. Beynin değişen doğası, Plastisite ve Öğrenme bölümünde daha ayrıntılı olarak ele alınmaktadır.
Büyüme durduktan sonra beynin değişmediği fikri, öğrencilerin sahip olduğu en büyük yanlış anlayış olabilir.
Efsane: Öğrenme güçlükleri, beyin fonksiyonuyla ilgili bir problemin tek belirtisidir.
Gerçek: Birçok öğrenci okul yıllarında öğrenme güçlüğü çeken biriyle karşılaşacaktır. Birçok öğrenci için bu, beyin bozukluğu ile ilgili yaşadıkları tek deneyimdir. Birçok nörolojik hastalık (Alzheimer hastalığı ve Parkinson hastalığı gibi) yaşlı insanları etkilediğinden, öğrenciler bunlarla ilgili deneyim yaşamamış olabilirler. Depresyon ve hiperaktivite gibi duygusal ve davranışsal durumların da beyin bozuklukları olduğunu fark etmeyebilirler. Öğrenciler, beyin ve sinir sistemi hastalıklarının ve yaralanmalarının her yıl milyonlarca Amerikalıyı her yaştan etkilediğinin farkında olmalıdır. Bazı yaralanmalar ve hastalıklar kısa süreli olsa da, diğerleri kalıcı ve sakatlayıcıdır. Beyin bozuklukları, Sinir Sistemi Yaralanması bölümünde tartışılmaktadır.
Sinir Sistemi: Bileşim ve Organizasyon
Beyinlerimiz neredeyse yaptığımız her şeyi kontrol etse de, beyin yalnız başına çalışmaz. Beyin, sinir sistemi olarak bilinen karmaşık bir vücut sisteminin merkezi parçasıdır. Sinir sistemi, çevremizdeki dünyaya yanıt vermemizi sağlar. Parlak ışığa karşı göz kırpma refleksi gibi istemsiz eylemlerimizde olduğu gibi, güneş gözlüğü takmayı seçmek gibi istemli eylemlerimizde de sinir sistemimize bağlanabiliriz. İnsan hayatını tanımlayan koordineli işlevleri üretmek için böyle bir sistemin hem karmaşık hem de olağanüstü derecede iyi organize edilmesi gerekir. Sinir sistemimiz çeşitli işlevlerini nasıl yapmayı başarır?
Sinir sistemi iki ana alt bölüme ayrılmıştır: merkezi sinir sistemi (MSS) ve çevresel sinir sistemi (ÇSS). Sinir sisteminin bileşenlerine kısa bir inceleme, beyni ve beyin fonksiyonunu anlamak için daha geniş bir bağlam oluşturmaya yardımcı olur.
Şekil 1
İnsan sinir sistemi, merkezi sinir sistemi (MSS) ve çevresel sinir sistemi (ÇSS) olarak ayrılabilir.
Merkezi sinir sistemi (MSS)
Merkezi sinir sistemi beyin ve omurilikten oluşur. Vücudun ana bilgi işleme merkezidir. Omurilik, çevresel sinir sisteminden beyne duyusal bilgi (vücuttan gelen bilgi) iletir. Birçok duyusal girdisini işleyen beyin, aldığı duyusal girdiye uygun motor çıktılarını (koordineli mekanik yanıtlar) başlatır. Omurilik daha sonra bu motor bilgisini beyinden ÇSS aracılığıyla vücudun çeşitli yerlerine (kaslar ve bezler gibi) taşır.
Vücudun tüm motor yanıtları işlenmek üzere beyinden geçmez. Omurilik, vücuttan hızlı bir yanıt gerektiren diz refleksi gibi basit refleks eylemleri yönlendirmede tek başına yeteneklidir. Vücudun bazı istemsiz ve tüm istemli eylemleri gibi daha karmaşık motor eylemler, beyin katılımı gerektirir. Beyin hem vücudumuzdaki bilgilerin bütünleştiricisi hem de yöneticisidir. Beynimiz, vücuttan gelen çeşitli duyusal girdileri işleyerek uygun, koordineli motor çıktısını vücuda belirlemek ve başlatmak için dikkate değer hacminin, enerjisinin ve hesaplama gücünün çoğunu ayırır.
Çevresel sinir sistemi (ÇSS)
Çevresel sinir sistemi, beyin ve omuriliğin dışındaki tüm sinir dokularından oluşur. ÇSS, vücut ve merkezi sinir sistemi arasında bilgi aktarır. İki alt bölüme ayrılır: duyusal/somatik sinir sistemi ve otonom sinir sistemi. Somatik sinir sistemi, MSS ve vücudun duyusal organları ile istemli kasları arasında mesaj taşır. Çevremizdeki dünyadaki değişiklikleri tespit etmemizi sağlar ve gerçekleştirmeye karar verdiğimiz eylemlerle ilgili bilgileri iletir. Buna karşılık, otonom sinir sistemi, MSS ve iç organlarımız arasında mesaj taşır. Nefes almanın ve sindirim fonksiyonlarının düzenlenmesi gibi otomatik görevlerle ilgili bilgileri iletir.
Sinir Sisteminin Hücreleri
Beyin de dahil olmak üzere sinir sisteminin tüm bileşenleri milyarlarca özelleşmiş hücreden oluşur: nöronlar ve glia. İki hücre tipi sinir sisteminin koordineli işleyişini sağlamak için birlikte çalışsa da, her hücre türünün eşsiz yapısı belirli işlevini yerine getirmesini sağlar.
Nöronlar
Nöron ( ), sinir sisteminin temel fonksiyonel birimidir. Birincil işlevi iletişimdir. Nöronlar hücrelerden bilgi alır ve ardından bu bilgiyi diğer hücrelere iletir. Vücut hücreleri ve nöronlar arasındaki bilgi iletişimi, iç ve dış çevremizdeki değişikliklere tepki vermemizi sağlar. Nöronların hücre gövdesi vardır ve bu hücrenin aktivitelerini yöneten bir çekirdek içerir. Dendritler olarak adlandırılan özel uzantılar bilgiyi hücre gövdesine getirir. Nöronun karşı ucundaki diğer uzantılar aksonlar olarak adlandırılır. Bunlar bilgiyi hücre gövdesinden uzaklaştırır. Bilgi, aksonun uç noktaları olan akson terminallerinden nörondan çıkar. Akson demetlerine sinir denir.
Şekil 2
Bir nöron, bir hücre gövdesi, dendritler ve bir aksondan oluşur. Dendritler bilgiyi hücre gövdesine getirir; bilgi akson boyunca hareket eder ve akson terminalleri aracılığıyla hücreden çıkar.
Sinir sistemi üç genel nöron türü içerir: duyusal nöronlar, ara nöronlar ve motor nöronlar. Duyusal nöronlar, ışık, ses, tat veya basınç gibi çevreden gelen uyaranları algılamak için özelleşmiştir. Bir uyarının algılanması, duyusal nöronun merkezi sinir sistemine bir mesaj iletmesini tetikler. Orada, mesaj, bilgiyi entegre eden ve nasıl yanıt verileceği hakkında talimatlar oluşturan ara nöronlara iletilir. Talimatlar, motor nöronlar boyunca mesajlar olarak çevresel sinir sistemine geri gönderilir. Motor nöronlar daha sonra uygun yanıtları yapmak için kasları kasılmaya veya gevşemeye teşvik eder. Ayrıca bezleri hormon salgılamaları için uyarırlar.
Sinir sistemimiz, bir duyusal nörondan birkaç ara nöron aracılığıyla bir motor nörona birkaç milisaniye içinde bir mesaj iletebilir. Bu çok hızlı görünse de, bazı duyusal girdiler (ağrı gibi) daha hızlı bir yanıt gerektirir. Örneğin, sıcak bir sobanın üzerine dokunursak, mümkün olduğunca çabuk geri çekinmemiz faydalıdır. Sinir sistemi bu refleks yanıtı nasıl ele alır? Çok hızlı bir yanıt gerektiren bir girdiye yanıt verirken, sinir sistemimiz duyusal nöronların bilgiyi yalnızca bir ara nöron aracılığıyla iletmesine veya doğrudan motor nöronlara bağlanmasına izin verir. Sinyal işleme için gereken ara nöron sayısını azaltarak, refleks yanıtlar diğer yanıtlar kadar hızlı gerçekleşebilir. Refleks yanıtlar, Omurilik bölümünde daha ayrıntılı olarak ele alınmaktadır.
Glia
Glia hücreleri, topluca glia olarak adlandırılır ve nöronlardan çok daha fazladır. Neden bu kadar çok gliaya ihtiyacımız var? Glianın işlevleri, nöronlar kadar iyi bilinmese de, genellikle muazzam sinir ağımız için destek yapısı olarak hizmet etmektir. Örneğin, bazı glia, belirli aksonları çevreleyen yalıtım kılıfı olan miyelin oluşturur ( ). Miyelin, elektrik sinyallerini aksonların içinde tutar ve elektrik sinyallerinin iletilmesini geliştirir. Diğer glia, yaralanma veya nöron ölümü sonrası enkazı temizleyen temizleyicilerdir. Bazı glia, gelişim sırasında nöronların göçünü yönlendirir ve aksonların büyümesini yönlendirirken, diğerleri nöronlar arasındaki iletişimi kolaylaştırır. Bazı glia hatta nöronları "besleyebilir" ve onlara gerekli besinleri sağlayabilir.
Şekil 3
Özel glial hücreler, nöronların aksonlarının etrafına miyelin kılıfları oluşturur.
Sinir impulslarının iletimi: elektriksel iletim
Nöronlar birbirlerine ve vücuda mesaj gönderir ve alır. Bunu, sinir sinyali olarak adlandırılan iki aşamalı bir süreçle yaparlar. Sinir sinyali, bir nöronun uzunluğu boyunca geçirilen bir elektriksel impulsun üretimiyle başlar.
Bu nasıl çalışır? Bir uyaran (duyusal girdi gibi) bir nöronun zarının bir bölümünde hızlı bir elektrik yük değişimine neden olduğunda bir elektriksel impuls üretilir. Bu elektriksel impuls, bir birim sinir bilgisidir. Bir nöronun uzunluğu boyunca akan elektriksel impulse sinir impulsu denir.
Sinir impulsları bir nöron içinde yalnızca tek yönde ilerler—dendritlerden, hücre gövdesi ve akson boyunca, akson terminallerine ( ). Ek olarak, nöronlar sinir impulslarını her şey ya da hiçbir şey şeklinde üretir. Örneğin, bir nöronun aldığı uyaran bir sinir impulsunu tetiklemek için çok zayıfsa, hiçbir şey olmaz—nöron bir impuls başlatmaz. Uyaran, bir sinir impulsunu tetiklemek için gereken minimumdan yeterince güçlü veya çok daha güçlü ise, nöron bir impuls başlatır. Ancak, nöron daha güçlü bir uyaran nedeniyle daha güçlü bir impuls başlatmaz. Bir sinir impulsunu başlatmak için gereken tek şey minimum veya eşik miktarda uyarıdır. Sinir impulslarının sıklığı veya bir nöron içinde sinir impulslarının başlatılma hızı, nöron boyunca hareket eden sinyalin yoğunluğunu belirler.
Şekil 4
Bir sinir impulsu, bir nöronun dendritleri, hücre gövdesi ve aksonu boyunca akan (elektriksel impuls biçiminde) bir bilgidir.
Sinir impulslarının iletimi: kimyasal iletim
Bir impuls bir nöronun sonuna ulaştığında ve başka bir nörona geçmesi gerektiğinde ne olur? İki nöron arasında veya bir nöron ile bir kas arasında bulunan birleşmeye sinaps ( ) denir. Bir sinapsta yer alan iki hücre birbirine fiziksel olarak dokunmaz. Bunun yerine, çok küçük bir boşlukla ayrılırlar. Impulsu sinapsa taşıyan hücre presinaptik hücredir ve impulsu alan hücre postsinaptik hücredir. Bilgi, presinaptik hücrenin aksonundan, sinapstan geçerek, postsinaptik hücrenin dendritlerine akar. Ancak bilgi sinapstan nasıl geçer?
Şekil 5
Bir sinaps, nöronlar arasında bir birleşme noktasıdır.
Presinaptik hücre boyunca hareket eden bir impuls aksonun sonuna ulaştığında, bu hücrenin nörotransmiter olarak bilinen moleküller salgılamasına neden olur. Bu moleküller sinapsa salınır ve yaklaşık 20 milyonuncu milimetreye yayılırlar ve burada postsinaptik hücrenin dendritlerindeki reseptörlere bağlanırlar ( ). Nörotransmiterler reseptörlere bağlandığında, postsinaptik zarın üzerindeki yük değişir ve değişim yeterince büyükse, bir sinir impulsunu tetikler. Yeni sinir impulsu daha sonra postsinaptik hücre boyunca hareket eder.
Şekil 6
Bir sinapsı geçmek için elektriksel bir impuls kimyasal bir sinyale dönüştürülür.
Bilim insanları çok sayıda nörotransmiter keşfettiler. Bazıları uyarıcıdır—postsinaptik nöronun bir sinir impulsunu başlatma olasılığını artırırlar. Diğerleri inhibe edicidir—postsinaptik nöronun bir sinir impulsunu oluşturma olasılığını azaltırlar. Nörotransmiterler sinir sistemimiz için ne kadar önemlidir? Sonuç olarak, uyarıcı ve inhibe edici nörotransmiterler, bir duyusal girdiye belirli bir motor cevabı üretmekten sorumlu moleküllerdir.
Beyin
Beyin, bizi insan yapan şeyin kökenidir. MSS bileşenlerinin tartışmamıza beyin yapısı ve fonksiyonunun incelenmesiyle başlıyoruz.
Beynin görüntülenmesi
Yakın zamana kadar bilim insanları insan beyni hakkında bilgiyi yalnızca kadavralardan çıkararak, dilimleyerek, boyayarak ve dilimlemenin fotoğraflarını çekerek toplayabiliyordu. Bu yöntemin birçok sınırlaması vardır, bunlardan biri de beynin faaliyet halinde incelenememesidir. Ancak teknolojik gelişmeler, bilim insanlarının beynin fonksiyonu ve anatomisi hakkında daha fazla bilgi edinmek için gelişmiş görüntüleme yöntemleri kullanmalarına olanak sağlamıştır.
Statik görüntüleme
Yaşayan beyni görüntülemek için kullanılan ilk yöntemler, bir zaman noktasında beynin anatomisinin bir görüntüsünü sağlayan statik görüntülemeyi kullandı. Bir statik görüntüleme yöntemi, beynin "kesit" röntgeni görüntüsünü bir araya getirmek için bilgisayar destekli bir teknik olan bilgisayarlı tomografidir (BT). Bir başka görüntüleme yöntemi olan manyetik rezonans görüntüleme (MRG), BT'nin yerini beyin görüntüleme yöntemi olarak çoğunlukla almıştır. MRG, BT'den daha ayrıntılı bir şekilde beynin anatomisini ortaya koyar, röntgen gerektirmez ve kesit düzlemi açısından çok daha esnektir. Beynin MRG görüntüsünü oluşturmak için, başın etrafında güçlü bir manyetik alan döndürülür. Bu enerji alanına maruz kalma, beynin birçok hidrojen atomunun rezonans yapmasına veya daha yüksek bir enerji durumuna atlamasına neden olur. Alan geçerken, hidrojenlerin bazıları daha düşük bir enerji durumuna döner. Sensörler enerjideki bu yukarı ve aşağı sıçramaları algılar ve bilgisayarlar toplanan verileri koordine eder. MRG taramaları, beynin çarpıcı derecede ayrıntılı görüntülerini üretebilir. Bir MRG taraması tarafından üretilen görüntü, beynin tarama düzlemi boyunca sanal bir "kesitini" gösterir ( ).
Şekil 7
Bir MRG taraması, bir bilim insanının beynin sanal bir "kesitinin" ayrıntılı siyah beyaz bir görüntüsünü görmesini sağlar.
Fonksiyonel görüntüleme
Statik görüntüleme, bilim insanlarının yaşayan beyni görmelerine ve yapısal değişiklikleri tespit etmelerine olanak sağlarken, elektriksel veya kimyasal beyin aktivitesinin tespit edilmesine izin vermez. İnanılmaz bir şekilde, görüntüleme teknolojileri artık bilim insanlarının aktif beyni görmelerine olanak tanıyor. En çok kullanılan tekniklerden biri pozitron emisyon tomografisi (PET)'dir. PET, radyoaktif olarak etiketlenmiş moleküllerin canlı deneklerin dokularındaki dağılımını ve hareketini ölçerek çalışır. Bir PET taraması sırasında bir kişi uyanık olduğundan, teknik, denek belirli görevleri gerçekleştirirken beyin aktivitesindeki değişiklikleri araştırmak için kullanılabilir. Bilgisayarlar, iki boyutlu veya üç boyutlu görüntüler üretmek için PET taraması verilerini yeniden oluşturur. MRG taramaları araştırma ve klinik ortamlarda hasta tanısı için kullanılırken, PET taramaları yalnızca araştırma için kullanılır.
Bir başka yaygın yöntem, fonksiyonel manyetik rezonans görüntüleme (fMRG)'dir. fMRG görüntülemesinin ardındaki teknoloji, MRG görüntülemesinin teknolojisine benzer. Bununla birlikte, fMRG görüntüleme, vücut dokularına oksijen getiren bir kan proteini olan hemoglobinin özel bir özelliğinden yararlanır. Oksijen taşıyan hemoglobin, oksijen taşımayan hemoglobinden farklı özelliklere sahiptir. Oksijen içeren hemoglobini tespit ederek, bilim insanları fMRG'yi beyin bölgelerine kan akışındaki değişiklikleri değerlendirmek için kullanır. Aktif beyin bölgeleri daha fazla kan ve daha fazla oksijen aldığından, fMRG görüntüleri bilim insanlarına hem fonksiyonel hem de anatomik bilgiler sağlar ( ).
Şekil 8
Bir fMRG taraması, beyindeki aktivite hakkında bilgi sağlar. Aktif alanlar, beynin geri kalanından daha açık görünür.
Beynin özel bölgeleri
İnsan beyni, son derece karmaşık hücre ağından geçen milyarlarca sinir sinyalini nasıl verimli bir şekilde işler? Cevapların bir kısmı organizasyonunda yatmaktadır. İnsan beyni üç ana bölüme ayrılabilir: serebrum (ön beyin), serebellum (arka beyin) ve beyin sapı ( ).
Şekil 9
Beyin, serebrum, serebellum ve beyin sapı olarak ayrılabilir.
Fonksiyonel görüntüleme teknikleri, bilim insanlarının beynin farklı alanlarının farklı işlevleri düzenlediğini keşfetmelerine olanak sağlamıştır. Serebrumun kendisi, fonksiyonel olarak özel birçok bölgeye ayrılabilir. Serebrumun ön tarafına doğru bir bölge, karar verme, problem çözme ve planlamaya ayrılmıştır. Diğer bölgeler, belirli kategorilerdeki duyusal bilgileri işlemeye ayrılmıştır. Örneğin, serebrum koku, tat ve işitme bilgilerini yorumlamak için farklı bölgeler kullanır. Bölümleri belirli görevlere ayırmak suretiyle, beyin çoklu girdileri daha verimli bir şekilde işleyebilir. Beyindeki nöron grupları belirli görevlere ayrılmış olsa da, genellikle bilgileri işlemek için beynin birden fazla bölgesinin birlikte çalışması gerekir. Örneğin, serebrum ve serebellumun bölgeleri, nefes alma ve kalp atışı gibi vücut fonksiyonlarını düzenlemek için birlikte çalışır.
Nöronlarından en verimli şekilde yararlanmak için beyin, tek bir davranışı bileşenlerine ayırarak bilgi işler. Örneğin, bir lokma yiyecek aldığımızda, beynin işlemesi için duyusal bilgi (bu bir elmadır), istemli motor bilgisi (parçayı ağza kaldır, çiğne) ve istemsiz motor bilgisi (tükürük salgıla) vardır. Farklı bileşenler ayrılır, beynin uygun bölgelerine gönderilir ve buna göre işlenir. Bilginin bu dağıtılmış işlenmesi, bilgi alıp yanıt verme yeteneğimize büyük bir hız kazandırır.
Beyin ve duyusal girdi
Çoğumuz çevremizdeki dünyanın inceliklerini doğal karşılarız. Her zaman çevremizdeki manzaraların, seslerin veya kokuların farkında olmayabiliriz. Bununla birlikte, beynimiz sürekli olarak gözlerimiz, kulaklarımız, burnumuz, ağzımız ve derimiz aracılığıyla gönderilen sinyalleri işler. Geleneksel beş duyunun yanı sıra, bilim insanları şimdi ağrı, basınç, sıcaklık, eklem pozisyonu ve hareket gibi diğer duyuların da farkındadırlar. Özel duyusal nöronlar, çevreden gelen girdilere yanıt verir. Bu girdi daha sonra elektrokimyasal sinyaller olarak beyne iletilir. Beyinde, sinyaller kategorilere ayrılır. Böylece duyusal girdinin işlenmesi, beyindeki belirli bölgelerin her mesajı ayrı ayrı çözümlemesiyle başlar. Daha sonra, çok sayıda duyusal girdi bütünleştirilir, böylece bilgi kümesi uygun bir (motor) cevaba yorumlanır.
Beyin ve motor çıktısı
Beyin yalnızca duyusal girdiyi işleyebilseydi, dünyanın sessiz, hareketsiz gözlemcileri olurduk. Neyse ki beyinlerimiz başka bir önemli işlevi yerine getirir. Duyusal girdiyi yorumladıktan sonra, beyin sinir sistemi aracılığıyla vücudun diğer kısımlarına akan sinir impulsları üretir. Motor nöronlar tarafından taşınan bu impulslar, çevreden gelen girdilere yanıt vermemizi sağlar. Bazı yanıtlar istemlidir. Evimizin kapısını görüyoruz, bu kapıyı açmayı seçiyoruz ve giriyoruz. Diğer yanıtlar istemsizdir. Bir pencerenin kırılma sesini duyuyoruz, bunu alışılmadık (ve belki de korkutucu) bir olay olarak yorumluyoruz ve kalbimiz hızlanmaya başlıyor. Her iki tür motor yanıtında da duyusal girdinin yorumlanması ve motor çıktısının düzenlenmesi gerekir; ancak ilgili beyin kısımları farklıdır. Serebrum istemli hareketi başlatırken, serebellum hareketlerimizi koordine eder ve yumuşatır. Serebrum ve serebellumun bölgeleri istemsiz yanıtları düzenlemek için birlikte çalışır. Ek olarak, MSS hem istemli hem de istemsiz yanıtları düzenlemek için bilgi üretirken, ÇSS bu bilgiyi vücudun uygun kısımlarına iletir. Pencerenin kırılması örneğinde, bir ses (kırık camın şıngırtısı), MSS tarafından düzenlenen, ÇSS aracılı bir kalp atış hızı artışını tetikler. Sadece düşüncenin bile istemsiz reaksiyonları başlatabileceğini belirtmek ilginçtir. Örneğimizde, birinin evinizi hırsızlık yapmak için pencereyi kırma düşüncesi bile kalp atış hızında artışa neden olabilir.
Omurilik
Merkezi sinir sisteminin ikinci bileşeni omuriliktir. Omurilik, çevresel sinir sistemini beynin geniş sinyal işleme gücüyle birleştirmekten sorumludur. Ek olarak, omuriliğin nöronları vücuttan gelen belirli sinyalleri kendileri de işleyebilirler. Önce bu eşsiz organın yapısını inceleyeceğiz, ardından çoklu fonksiyonlarını araştıracağız.
Omurilik, çevresel sinir sistemini beynin geniş sinyal işleme gücüyle birleştirmekten sorumludur.
Omuriliğin yapısı
Omuriliğin sinirleri, omurga sütunu olarak adlandırılan koruyucu bir iskelet yapısıyla çevrilidir. Omurga sütunu, omur olarak adlandırılan kemiklerden oluşur. Omurga sütununun sertliği dik durmamızı sağlar ve omuriliğimizi zararlardan korur. Bununla birlikte, omurga sütunu ayrıca bir miktar esneklik sağlar ve bize geniş bir hareket yelpazesi sunar. Omuriliği koruyan omurlar, beyni koruyan kemik plakaları olan kafatasından çok daha kalın kemiklerden oluşur. Bu, omuriliğin insan vücudu için ne kadar önemli olduğunu göstermektedir; bu kadar ağır koruyucu zırhın altındaki herhangi bir sistem varoluşumuz için önemli olmalıdır.
Omuriliğin yapısı, bilgi ileticisi olarak işleviyle doğrudan ilgilidir. Sinir impulsları biçimindeki bilgi, duyusal nöronlar aracılığıyla omuriliğe ulaşır ve motor nöronlar aracılığıyla omurilikten çıkar. Bilgi, omuriliğe ve omurilikten spinal sinirler aracılığıyla girer ve çıkar.
Spinal sinirler, hem duyusal hem de motor nöronların aksonlarını içerdikleri için "karma" sinirler olarak bilinir. Omuriliğe ulaşmadan kısa bir süre önce, duyusal ve motor aksonlar birbirinden ayrılır ( ).
Şekil 10
Omurilikteki nöronların organizasyonu, sinir sistemimizin etkili bir şekilde çalışmasında önemli bir rol oynar.
Bilgi, duyusal nöronların akson terminalleri aracılığıyla omuriliğe iletilir. Omurilikte, bilgi motor nöronlara, doğrudan motor nöronlara geçiren ara nöronlara veya bilgiyi beyne ileten ara nöronlara akabilir.
Omurilik motor nöronlarının dendritleri, duyusal nöronlardan, duyusal nöronlarla bağlantı kuran ara nöronlardan veya beyindeki nöronlarla bağlantı kuran ara nöronlardan bilgi alabilir. Omurilik motor nöronlarının aksonları, spinal sinirler aracılığıyla ve vücudun tüm kısımlarına bilgi iletebilir ( ). Motor nöronların akson terminalleri, hem istemli hem de istemsiz eylemler için bilgi ileterek çeşitli kaslara ve bezlere bağlanır.
Omurilik fonksiyonları
Omurilik iki ana aktivite gerçekleştirir: basit davranışlar üretmek ve bilgi aktarmak. Omurilik tarafından üretilen yanıt bir reflekstir: sıcak bir sobaya geri çekilmek gibi bir duyusal girdiye otomatik, istemsiz bir yanıt. Bazı refleks yolları (belirli bir mesajı ileten bir sinir seti) nispeten basittir. En basit refleks yollarında, bir motor nöron doğrudan bir duyusal nörona bağlanır. Patellar veya diz refleksi, bu tip bir yolun bir örneğidir ( ). Diz kapağımızın (patella) altındaki belirli bir noktaya hafifçe vurulduğumuzda, bacağın alt yarısı yukarı doğru sıçrar.
Şekil 11
Patellar refleksi omurilik tarafından aracılık edilir.
Omurilik, daha karmaşık yollarla da bilgi iletir. Bazı refleks eylemler, motor bir çıktı oluşturulmadan önce birden fazla omurilik ara nöronunun katılımını gerektirir.
Omuriliğin bir diğer rolü, beyin ve çevresel sinir sistemi arasında bilgi iletmektir. Sinir impulsları biçimindeki bilgi, ÇSS'nin duyusal nöronları aracılığıyla omuriliğe ulaşır. Bu impulslar, omuriliğin ara nöronları aracılığıyla beyne iletilir. Son olarak, beynin motor bölgelerinde üretilen yanıt sin