Beynimizin Sırları Nasıl Keşfedildi?

Spawns/iStockphoto.com

Bir demir çubuk nörobilimi nasıl değiştirdi?

Amerika Birleşik Devletleri'nde 1848 yılının sıcak bir eylül günü, demiryolu inşaatında çalışan 25 yaşındaki Phineas Gage için sıradan bir iş günüydü. Patlayıcı yerleştirmek amacıyla kayaları sıkıştırırken beklenmedik bir patlama meydana geldi. Yaklaşık bir metre uzunluğundaki demir bir çubuk büyük bir hızla fırlayarak Gage'in sol yanağından girdi ve kafatasının üst kısmından çıkarak metrelerce uzağa düştü.

Kazayı görenler onun yaşamasının imkânsız olduğunu düşündü. Ancak şaşırtıcı bir şekilde Phineas Gage hayatta kaldı. Dahası kısa süre sonra yürüyebiliyor, konuşabiliyor ve çevresindekileri tanıyabiliyordu. Fakat onu tanıyanlar çok önemli bir değişiklik fark etmişti. Kaza öncesinde sakin, çalışkan ve sorumluluk sahibi biri olarak bilinen Gage, kazadan sonra dürtülerini kontrol etmekte zorlanan, öfkeli kararlar veren ve çevresiyle sık sık çatışan bir kişiye dönüşmüştü. Hafızası büyük ölçüde korunmuştu, kaslarını hareket ettirebiliyor ve konuşabiliyordu. Buna rağmen kişiliği belirgin şekilde değişmişti. Bu olağanüstü olay, bilim insanlarının aklına önemli bir soru getirdi:

Acaba beynimizin farklı bölgeleri farklı görevler mi üstleniyordu?

Yaşanan kazara demir çubuk, beynin ön kısmında bulunan prefrontal korteks bölgesine ciddi zarar vermişti. Bu bölge; plan yapma, karar verme, dürtü kontrolü ve sosyal davranışların düzenlenmesinde önemli rol oynuyor. Phineas Gage'in yaşadığı değişim, beynin farklı bölgelerinin farklı işlevlere sahip olduğunu gösteren ilk güçlü kanıtlardan biri olarak kabul edilir ve modern nörobilimin gelişiminde önemli bir dönüm noktası olmuştur.

Ancak bu olay, bilim insanlarının yalnızca yeni sorular sormasını sağladı. Peki beynimizin konuşmayı, hafızayı, öğrenmeyi ya da korkuyu yöneten bölgelerini nasıl belirlediler?

Beynimizin konuşmayla ilgili bölgelerini nasıl keşfettik?

Phineas Gage'in yaşadığı olay, beynin farklı bölgelerinin farklı görevler üstlenebileceğini düşündüren ilk güçlü kanıtlardan biriydi. Ancak tek bir vaka, beynin tüm işleyişini açıklamak için yeterli değildi. Bilim insanları, beynin hangi bölümünün hangi görevi üstlendiğini anlayabilmek için uzun yıllar boyunca çok sayıda hastayı dikkatle incelemeye devam etti.

Fransız cerrah Paul Broca 1861 yılında yalnızca tek bir kelimeyi, "tan" hecesini söyleyebilen bir hastayı değerlendirdi. Hasta söylenenleri anlayabiliyor ancak konuşamıyordu. Ölümünden sonra yapılan incelemede beyninin sol ön bölümünde belirli bir hasar olduğu görüldü. Günümüzde Broca alanı olarak bilinen bu bölgenin konuşmanın oluşturulmasında önemli rol oynadığı anlaşıldı.

Birkaç yıl sonra Alman nörolog Carl Wernicke, bu kez farklı bir tabloyla karşılaştı. Hastaları akıcı bir şekilde konuşabiliyor ancak söyledikleri cümleler anlamlı olmuyor ve başkalarının söylediklerini anlamakta güçlük çekiyorlardı. Yapılan incelemeler, beynin sol şakak bölgesindeki farklı bir alanın hasar gördüğünü ortaya koydu. Böylece konuşmayı üretmek ve konuşulan dili anlamak için beynin farklı bölgelerinin görev yaptığı anlaşılmış oldu.

Bu keşifler, beynin tek bir merkez gibi çalışmadığını aksine farklı görevleri üstlenen birçok özelleşmiş bölgeden oluştuğunu gösterdi. Daha sonra Alman nöroanatomi uzmanı Korbinian Brodmann, mikroskop altında beyin dokularını inceleyerek beyin kabuğunu hücresel yapılarına göre yaklaşık 52 farklı alana ayırdı. Günümüzde hâlâ kullanılan Brodmann alanları, beynin işlevsel organizasyonunu anlamada temel başvuru sistemlerinden biri olmaya devam etmektedir.

Ancak bilim insanlarının yanıtlaması gereken daha büyük sorular vardı.

Bilim insanları konuşmayı etkileyen beyin bölgelerini, hastalık veya kaza geçiren kişiler sayesinde keşfetmişti. Peki ya öğrenme, hafıza, korku, karar verme ya da dürtü kontrolü gibi daha karmaşık davranışların hangi beyin bölgeleri tarafından yönetildiğini nasıl anlayacaklardı?

Bir insanın beynindeki belirli bir bölgeyi deney amacıyla geçici olarak devre dışı bırakıp "Şimdi ne değişecek?" diye sormak elbette mümkün değildir. İşte bu nedenle bilim insanları, beynin işleyişini anlamak için farklı bir yol izledi: davranış deneyleri.

Bir köpeğin salyası beyni anlamamıza nasıl yardımcı oldu?

Bilim insanları, konuşmayı sağlayan beyin bölgelerini kazalar ve hastalıklar sayesinde keşfetmişti. Ancak öğrenme, hafıza ve davranış gibi karmaşık süreçleri anlamak çok daha zordu. Çünkü bir insanın beyninin belirli bir bölgesini deney amacıyla etkileyip sonucunu gözlemlemek etik değildi.

Peki beynin nasıl öğrendiğini anlamanın başka bir yolu olabilir miydi?

Bu sorunun cevabı, 1900'lü yılların başında Rus fizyolog Ivan Pavlov tarafından yapılan beklenmedik bir gözlemle ortaya çıktı.

Pavlov aslında köpeklerin sindirim sistemi üzerinde çalışıyordu. Deneyler sırasında ilginç bir durum fark etti. Köpekler yalnızca önlerine yiyecek konulduğunda değil, kendilerine yemek getiren araştırmacıyı gördüklerinde ya da ayak seslerini duyduklarında da salya salgılamaya başlıyordu. Sanki beyinleri yaklaşan ödülü önceden tahmin ediyordu.

Bu gözlem Pavlov'u yeni bir deney tasarlamaya itti. Köpeğe her yemek verilmeden hemen önce bir zil sesi çalındı. Bu işlem günlerce tekrarlandı. Bir süre sonra yalnızca zil sesi duyulduğunda bile köpek salya salgılamaya başladı. Böylece daha önce hiçbir anlam taşımayan bir ses, beyin tarafından "yemek geliyor" bilgisiyle ilişkilendirilmişti. Bu olaya klasik koşullanma adı verildi ve öğrenmenin deneysel olarak ölçülebileceği ilk örneklerden biri oldu.

Pavlov'un çalışmaları yalnızca köpeklerin davranışlarını açıklamakla kalmadı. Aynı zamanda beynin çevreden gelen bilgileri nasıl öğrendiğini, deneyimlerle nasıl değiştiğini ve yeni bağlantılar kurabildiğini gösterdi. Günümüzde öğrenme ve hafıza üzerine yapılan birçok araştırmanın temelinde hâlâ bu yaklaşım yer almaktadır.

Bilim insanları zamanla davranışların, beynin işleyişini anlamanın en güçlü araçlarından biri olduğunun farkına vardı. Çünkü hayvanlar konuşamaz ancak öğrenebilir, unutabilir, korkabilir, karar verebilir ve çevrelerine davranışlarıyla tepki verebilir. İşte bu nedenle araştırmacılar beynin nasıl çalıştığını anlamak için davranış deneylerinden yararlanmaya başladı.

Ancak bu deneylerin amacı hiçbir zaman yalnızca hayvanların davranışlarını incelemek olmadı. Asıl amaç, insan beyninin çalışma prensiplerini anlamak ve Alzheimer, Parkinson, epilepsi, depresyon gibi hastalıklar için daha etkili tedaviler geliştirebilmekti.

Bir fare, hafızasının zayıfladığını söyleyebilir mi?

Pavlov'un deneylerinden sonra bilim insanları davranışların, beynin nasıl çalıştığını anlamak için güçlü bir araç olduğunu fark etti. Ancak insan beyni, öğrenmeden çok daha karmaşık görevler üstlenir. Hafıza oluşturur, karar verir, korkar, yeni beceriler öğrenir ve bazen hastalıklar nedeniyle bu işlevlerini kaybedebilir.

Peki Alzheimer hastalığında hafızanın neden bozulduğunu ya da Parkinson hastalığında hareketlerin neden yavaşladığını nasıl araştırabiliriz?

Elbette bunu insanlar üzerinde deneyler yaparak öğrenemeyiz. Bir insanın beyninde belirli bir bölgeyi deney amacıyla hasara uğratmak veya yeni geliştirilen bir ilacı yeterince test edilmeden doğrudan hastalara vermek hem etik değildir hem de ciddi riskler taşır.

İşte bu nedenle bilim insanları, insan hastalıklarına benzeyen özellikler gösteren deney hayvanı modelleri geliştirdi. Amaç, hastalığın nasıl ortaya çıktığını anlamak ve geliştirilen tedavilerin güvenliği ile etkinliğini değerlendirmektir.

Burada araştırmacıların en önemli yardımcısı yine davranışlardır.

Örneğin Alzheimer modeli oluşturulan bir fareye "Dün buraya gelmiş miydin?" diye soramayız. Ancak labirentte daha önce öğrendiği yolu bulup bulamadığına bakarak hafızası hakkında önemli bilgiler elde edebiliriz. Parkinson modeli oluşturulan bir farenin ise hareket hızındaki azalma, denge kaybı veya ince motor becerilerindeki değişiklikler ölçülerek hastalığın ilerleyişi değerlendirilebilir.

Benzer şekilde anksiyete, depresyon, ağrı, bağımlılık ve öğrenme gibi birçok nörolojik ve psikiyatrik süreç de davranış testleri yardımıyla incelenebilir. Çünkü hayvanlar düşüncelerini kelimelerle ifade edemeseler de davranışları, beyinlerinde neler olup bittiğine dair önemli ipuçları verir.

Davranış deneyleri tek başına yeterli değildir. Araştırmacılar, elde ettikleri davranışsal bulguları beyin dokusunda meydana gelen değişikliklerle birlikte değerlendirir. Bu nedenle günümüzde nörobilim araştırmalarında davranış deneyleri; moleküler biyoloji, genetik, biyokimya ve beyin görüntüleme yöntemleriyle birlikte kullanılmaktadır. Böylece yalnızca bir davranışın değiştiği değil, bu değişikliğin beynin hangi bölgesinde ve hangi biyolojik mekanizmalar sonucunda ortaya çıktığı da anlaşılmaya çalışılır.

Beyni anlamanın uzun yolculuğu

Beynin farklı bölgelerinin farklı görevler üstlenebileceğini gösteren ilk önemli ipuçlarından birini 1848 yılında yaşanan sıra dışı bir iş kazası sundu. Broca ve Wernicke'nin çalışmaları konuşma merkezlerinin keşfedilmesini sağladı. Pavlov ise davranışların bilimsel olarak ölçülebileceğini göstererek öğrenme araştırmalarında yeni bir dönemin kapısını açtı.

Bugün bilim insanları bu tarihsel birikimi çok daha gelişmiş teknolojilerle birleştiriyor. Davranış deneyleri, genetik analizler, moleküler biyoloji yöntemleri ve beyin görüntüleme teknikleri birlikte kullanılarak yalnızca beynin nasıl çalıştığı değil; Alzheimer, Parkinson, epilepsi, depresyon ve birçok nörolojik hastalığın altında yatan mekanizmalar da araştırılıyor.

Ancak bilimin amacı yalnızca beynin nasıl çalıştığını öğrenmek değildir. Bu çalışmalar sayesinde yeni tedavi yöntemleri geliştiriliyor, hastalıkların erken tanısı için yeni yaklaşımlar geliştiriliyor ve milyonlarca insanın yaşam kalitesini artırabilecek çözümler üzerinde çalışılıyor.

Belki de beynin en ilginç yanı, onu anlamaya çalışırken yine beynimize ihtiyaç duymamızdır.

Kaynaklar:

• Damasio, H., Grabowski, T., Frank, R., Galaburda, A. M., & Damasio, A. R. (1994). The return of Phineas Gage: clues about the brain from the skull of a famous patient. Science (New York, N.Y.), 264(5162), 1102–1105.
• Zilles K, Amunts K. Centenary of Brodmann's map—conception and fate. Nature Reviews Neuroscience. 2010;11(2):139-145.
• Pavlov PI. Conditioned reflexes: An investigation of the physiological activity of the cerebral cortex. Ann Neurosci. 2010;17(3):136-141.
• Krakauer, J. W., Ghazanfar, A. A., Gomez-Marin, A., MacIver, M. A., & Poeppel, D. (2017). Neuroscience Needs Behavior: Correcting a Reductionist Bias. Neuron, 93(3), 480–490.

Yazar Hakkında:

Doç. Dr. Güven Akçay

Bolu Abant İzzet Baysal Üniversitesi Tıp Fakültesi, Biyofizik Anabilim Dalı