Kognitif Bilimciler Kuantum Mekaniğini Niçin Görmezden Gelemezler?

... konulu sunumlar: "Kognitif Bilimciler Kuantum Mekaniğini Niçin Görmezden Gelemezler?"— Sunum transkripti:

1 Kognitif Bilimciler Kuantum Mekaniğini Niçin Görmezden Gelemezler?
Why Cognitive Scientists Cannot Ignore Quantum Mechanics? Dr.Sultan Tarlacı Cognitive V, Marmaris, Mayıs 2008 Öncelikle toplantı öncesi, bu ilk günde, kognitif sinirbiliminin güncel olarak ne ile ilgilendiği ve tarihçesine bir bakalım.

2 rock 'n' roll 1950lerin Amerika'sında ortaya çıkmış bir müzik türüdür.
Bu tarihten sonra hızla ilk önce tüm ülkeye, ardından da tüm dünyaya yayılmıştır. Bu müzik türü, daha sonra sadece rock olarak adlandırılacak müzik türlerine bölünmüştür. Rock and roll ve daha sonra aldığı haller, 1950’lerden 1990’ların ortasına kadar en çok dinlenen müzik türlerindendir. Genellikle elektro gitar, bas gitar ve bateri eşliğinde çalınan müziğe bazen piyano ve org da eşlik eder. Gitardan önce, saksafon bu türde en çok kullanılan müzik aletiydi. Ancak zamanla kullanılan müzik aletleri de değişti. Hem kognitif sinir bilimi hem de RR tarihi birbirine paralel seyreder. Kognitif bilim RR ile aynı yaştadır. Her ikisi de 1950’lerin yaygın kaynaklarından ortaya çıktı.

3 Yapısalcılık İşlevselcilik Psikoanaliz Gestalt Davranışçılık
1903 Ivan Pavlov, “Şartlı Refleks” terimi 1913 Edgar Douglas Adrian, sinir hücrelerinde “hep ya da hiç” prensibi 1929 Hans Berger, EEG 1931 Kurt Gödel, Gödel Teoremini yayımladı 1936 Egas Moniz, şizofrenilerde lobektomi Alan Turing, hesaplanabilirlik-algoritmalar 1938 Aksiyon potansiyeli kaydı 1945 İlk bilgisayar ENIAC 1947 Transistor icadı Claude Shannon, bilgi teorisi 1948 John von Neumann ve Alan Turing yapay zeka, bilgi işleme 1952 Hodgin-Huxley-Katz, voltaja bağlı iyon akımı Yapay Zeka Kavramı (1956) Francis Crick, James D. Watson ve Rosalind Franklin DNA yapısı keşfi (1953) 1957 W. Penfield ve T. Rasmussen, beyin kabuğunu haritaladı 1960 Dilbilim: Noam Chomsky 1961 Norbert Wiener: information tanımı - Sibernetik 1973 BT görüntüleme 1974 PET görüntüleme 1985 TMS uygulanışı 1990 “Beyin On Yılı” ilan edildi. BOLD ve fMRI 1923 1913 İşlevselcilik 1929 Psikoanaliz Gestalt Davranışçılık 1950’ler Tabi bu ortaya çıkış birden bire olmuyor. Bilimin ve zamanın ruhunun bir sonucu olarak yeni teoriler ve fikirler şekillenir. Kognitif bilimin ortaya çıkmadan önceki zamanın ruhuna ve bilimin ilgi alanlarına şöyle bir bakacak olursak, -- Kognitif bilimsen önce hakim olan psikoloji yaklaşımlarını görüyorsunuz. Psikanaliz, davranışçılık, gestalt, daha önce de işlevselcilik ve yapısalcılık görülmekte. --Davranışçılık 1923, psikanaliz 1923 yıllarında başladı ve uzun dönem egemenliğini psikoloji sürdürdü. --Bu psikoloji yaklaşımlarının hepsi dönemin diğer bilim alanlarından etkilenmişler ve yararlanmışlardır. --Şöyle bakacak olursak, dönemin yapay zeka, hesaplama, bilgisayarların olabilirliği ve bilgi işleme, bilgiyi rakamlara dönüştürme egemenliğinde olduğu görülecektir. --Sinir bilimi açısından da aksiyon potansiyeli kaydı, EEG kaydının yapıldığı, voltaja bağlı iyon kanallarının tespit edildiği dönem. --Bütün bu bilimsel zeminde, 1950’lerde de kognitif bilim ortaya çıktı. 1977’de konu ile ilgili dergi yayımlandı, 1980’de de dernek kuruldu. Kognitif Bilim Ulric Neisser’s “Cognitive Psychology” 1967 Cognitive Science journal 1977 Cognitive Science society 1980

4 Kognitif Sinirbilim Bilgi İşleme Information Processing
1 Bilgi İşleme Information Processing 2 Hesaplama Computation -- Özetle tarihsel açıdan bakıldığında ortaya şu çıkar: dönemin baskın ekolu bilgi, bilgi işleme ve hesaplama dönemidir. -- Buradan kognitif sinirbilim şu argümanlar üzerine kurulur: bilgi işleyen (ardışık aşamalarla davranışın ortaya çıktığı), bu işlemeyi de hesaplama ile yapan bir bilgisayardır. Beyin bir bilgisayar, zihin de onun softwaredir. --Başlangıçta “bilgi işleme psikolojisi” olarak da adlandırılmıştır (Carnegie-Mellon, 1960) 1+2 Beyin Bir Bilgisayardır Wetware + Software

5 Kognitif Sinirbilim Bilgi işleme birimi, her bilgisayarda olduğu gibi, sizlerinde gayet iyi bildiği üzere, 0-1 birimleri işlem birimidir, işlem birimleri sinir hücreleridir. Her sinir hücresi 0 ya da 1 şeklinde katılım sağlar.

6 Kognitif Sinirbilim --Bu işlem birimleri olan sinir hücreleri bir araya gelirler ve nöral ağları ya da işlevsel ağları oluştururlar.

7 Kognitif Sinirbilim -- Bir çok nöral ağ bir arada çalışarak, beynimizin et kısmını oluşturur ve bunun üzerinde de zihin software olarak çalışarak, zihinsel işlevlerimizi ortaya çıkarır. -- Bu gördüğünüz kognitif bilimin beynidir.

8 Karar verme ve Motor Kontrol
Kognitif Sinirbilim Kognitif Sinirbilim Dil Girdi/duyular Algılama ve tanıma Karar verme ve Motor Kontrol Öğrenme ve Bellek --Peki Kognitif nörobilim bugün, ne ile ilgilenir? Öncelikle kognitif bilimin BİLGİ İŞLEME bilimi olduğunu hemen hatırlayalım. --Bilgi girişi algılayarak ve tanıyarak uygun anlam verme  bunları depolama ve değiştirme (bellek) gelecekteki durum hakkında karar verme ve çıkarım yapma  davranışa rehberlik etme (motor kontrol) ve sonuçları başkasına aktarma (dil) ile ilgilenir. --Bu arada da bütün bu bilgi işleme esnasında DÜŞÜNME ve BİLİNç dediğimiz şey ortaya çıkar. --Buradan başka bir sonuç daha çıkar: beyin bir bilgisayardır. Burada anlatılan tüm adımlar bir bilgisayarın da özelliğidir: girdi bilgiyi saklama geri çağırma  işleme ve  çıktı üretme. Düşünme Bilinç

9 Kolay Problem! Zor Problem
Bilinç deneyimi olmaksızın sinir hücresel olayların doğasını anlıyoruz (AP, iyon değişimi, hücrede enerji kullanımı, aksonal transport, vezikül siklüsü, NT sentezi-yıkımı, bunların hastalıklarla olan ilişkisini). Zor Problem Deneyimlerin et beynimizde nasıl oluştuğu renk - ses – koku – tat – ağrı - görsel imajı hatırlama - karar verme – rüya – aşk - orgazm Ve nasıl maddesel araçlardan BİLİNÇ doğar? --Kognitif bilim bir çok alanda bir devrim yapmıştır ama bugün, göreceğiniz üzere, bazı soruların yanıtını vermekten çok uzaktır.

10 Zor Problem / Deneyim: Ağrı
--C-liflerim uyarıldığında (iğne batması, baş ağrısında), oluşan aksiyon potansiyelinin nasıl oluştuğunu ve beyine nerelere ulaştığını biliyoruz, ama neden bende ya da sizde HOŞ olmayan ağrı DUYUMU oluşturuyor?

11 Kognitif Bilim Yöntemleri
Bu soruların yanıtını aramak için kognitif bilim hangi yöntemleri kullanmaktadır, ona bakalım. -- Kognitif bilimin kullandığı yöntemler, resolusyona göre, büyüklük ve zamansal olarak şöyle gösterilebilir. Zamansal çözünürlük; bilişsel olayların ortaya çıktığı ve devam ettiği süreyi gösterir. EEG, MEG, TMS ve tek hücre kayıtlamaları milisaniye çözünürlüğü vardır. PET ve fMRG dakikalar ve saniyeler içinde olan olayları ortaya koyarlar. -- Büyüklük açısından bakıldığında ise, görüntülemeler beynin bütünü hakkında bilgi verirken, tek hücre kayıtları tek bir sinir hücresi hakkında bilgi verir. -- Ancak burada da göreceğiniz üzere bir açık alan var: bu seviye uzay-zamansal olarak mili saniye düzeylerinde ve dendrit-sinaps altı büyüklüğü kapsıyor. Bu alanı çalışan bir yöntem kognitif bilimin elinde yok. -- Ölçeksel olarak bakıldığı zaman bu düzey kuantum düzeyi sınırıdır.

12 Klasik Kognitif Sinirbilim
O zaman bizim elimizdeki kognitif bilim KLASİK FİZİĞİN kognitif bilimidir, ve bu klasik bir bilgisayar şeklinde çalışan nöral ağlardan oluşur. Bu yeterli midir? Değil gibi gözüküyor.

13 Kuantum Fiziği Özellikleri
Kuantum bilgi birimi: Kubit Yerel olmama ve Dolaşıklık Tünelleme Parçacıklar arası etkileşimler Bose-Einstein Yoğunlaşması Maddeye eşlik eden dalga Alanlar… Bu nedenle KLASIK KOGNITIF BİLİM, yeni fizikten, KUANTUM FİZİĞİNDEN yararlanmalıdır. Özellikle resolusyon olarak düşünüldüğünde, açığı kapatacak tek şey KUANTUM FİZİĞİDİR. Kuantum fiziği bize fazladan ne sunar? Önce kuantum fiziği temel özelliklerine kısa bir bakış yaparak, AÇIK olan ölçekte nasıl yer alabileceğine bakalım. Beynimizde taşıdığımız atomların aslında yıldızlarda olanlardan bir farkı olmadığını bilmek ya da beynimizdeki bir kısım atomların yıldız tozlarının kalıntılarından oluştuğunu düşünürsek, aynı kanunların beyin için de işlemesi gerektiğini düşünürüz.

14 1 1 Bit Kubit Bilgi İşleme Birimi
-- Klasik bit, şimdiki bilgisayarların bilgi birimi “0” ve “1” değerleri alır. Bütün işlemler, 0-1 kombinasyonları ile olur. -- Kuantum bilgi işlem birimi, kubit olarak adlandırılır -- Üst üste binme denen durumla sonsuz sayıda farklı ara değerler alabilirler, aynı ekvator koordinatları (sonsuz paralel ve meridyen değeri) gibi… -- Her kubit dolaşıklık durum denilen bir özelliğe sahiptir. İki KÜBİT’den biri diğerinin içinde bulunduğu durumla sıkı bağlantılıdır. Kendinde olan bir değişiklik diğerini etkiler, diğerindeki bir değişiklik kendine etki eder. -- Ve işin daha da ilginç tarafı bu karşılıklı etkime UZAKLIKTAN bağımsızdır. Bit Kubit

15 Bilgi İşleme Birimi --Bu bilgilerden sonra, şunu söyleyebiliriz: Bir teoriye göre, beyindeki işlem birimi, mikrotübüller içerindeki tübülin dimerleridir ve bu dimerler aynen anlattığımız tarzda kuantum bit özellikleri ile bilinci-zihni oluştururlar. -- Temel bilgilerden hatırlarsınız, mikrotübüller, nöronların içinde ve aksonlarda yer alan HÜCRESEL İSKELET kabul edilirler. 25 nm çapında, 13 uzunlamasına protofilamentten oluşan nanotüplerdir. Her protofilamentte 8 nm büyüklüğünde tübülin dimerlerinden oluşur. Her dimer 4 nm büyüklüğündeki, alfa-beta denen yapı arası geçiş yaparak kuantum işlemleme yapabileceği öne sürülür. Hameroff S, Penrose R. Orchestrated reduction of quantum coherence in brain microtubules: A model for consciousness. Mathematics and Computers in Simulation 1996;40:

16 Bilgi İşleme Birimi --Burada 3 tübülin yan yana görülmekte. Böyle bir bilgi işleme ve hesaplama, zihnimizdeki seçeneklerin sonsuz olmasına imkan verir. Bunları aynı anda seçme durumunda olduğumuz kahve-çay-kola.. Olarak düşünebilirsiniz… -- Burada 3 tübülin görülüyor. Nöron başına ortalama 10 milyar tubülin bulunur ve bunu nöron sayısı ile çarparsanız korkunç bir işlem gücü oluşur. Ama asıl işlem gücü kuantum bit özelliklerinden gelir. Hameroff S and Penrose R. Conscious Events as Orchestrated Space-Time Selections. NeuroQuantology 2003;1:10-35

17 İyon Kanalları - Belirsizlik
Kalsiyum 1 Kalsiyum 2 -- Ama kuantum fiziğini dikkate aldığınızda, bir iyon yalnızca bir iyon kanalından geçmez. -- Diğer iyon kanallarına da etki eder. Örneğin; Ca iyonunu ele alalım. Kuantum hesaplamaya göre bir Ca iyonu, 0.04 cm (binde dört cm) alana yayılan bir etki edebilir. Bir kalsiyum iyonu çapının, cm’nin 100 milyarda biri düşünürseniz, binde 4 cm alan, kendi çapının 100 milyon katı alana etki eder demektir. -- Bu hesaplama sadece iyonlar için geçerli değildir. Makromoleküller olan nörotransmitterler için de geçerlidir. -- Küçük 8 nm çapındaki nörotransmitter, 63 nm çapına yapılan etki oluştururlar. Bu bir peptidin etki edeceği tek reseptörden çok fazlasına etki demektir. Schwartz JM, Stapp HP, Beauregard M. Quantum physics in neuroscience and psychology: a neurophysical model of mind-brain interaction. Philosophical Transactions R Soc B 2004;1598:1-19.

18 İyon Kanalları - Dolaşıklık
-- Bu iyon ve nörotransmitter etkilerinde, dolaşıklığı da unutmamak gerekir. Örneğin, potasyum iyonlarının bu tür bir dolaşıklık gösterebileceği öne sürülmüştür. -- Herhangi birindeki bir değişim, diğerlerinin tümünün durumunu etkiler (Vudu büyüsü gibi bir şeydir, hayali bağ, uzaklıktan bağımsızıdır). -- Klasik fizikte buna benzer bir durum söz konusu değildir. -- Bu kubitlerin birindeki bir işlem, kuantum paralelliği ve girişimi yoluyla diğer tüm durumları (2n) etkileyebilir. Bernroider, G and Roy, S. Quantum entanglement of K+ ions, multiple channel states and the role of noise in the brain. SPIE 2005;5841:29.

19 İyon Kanalı-Nörotransmitter
-- Dolaşıklık, yerel olmama ele alındığında, klasik anlatımdaki anahtar-kilit örneği aslında yanlıştır. -- Yani bir iyon ya da nörotransmitter, tek başına, toplam üzerine etki etmez. Çok kanallı, birbirine bağlı etki, birbirinden ayrılamayan etki… -- Dolayısı ile bir birine dolaşık, BÜTÜNCÜL ÇALIŞAN BEYİN demektir.

20 Tünelleme --Diğer bir kuantum fiziksel fenomen de TÜNELLEME’dir.
-- Bu şu demektir, iyon ya da nörotransmitter kadar küçük yapılı iseniz, gücünüz (ya da enerjiniz) yeterli olmasa da, önünüzdeki engelin üzerinden atlamadan, kuantum tünelleme ile geçebilirsiniz. Ama bu geçme tamamen olasılık prensiplerine bağlıdır.

21 Kimyasal Sinaptik Tünelleme
-- Bu sinir sistemi için şu anlama gelir: kimyasal sinapslarda nörotansmitter salınımına bir katkı da tünelleme ile olabilir. Herhangi bir aksiyon potansiyeli sinaptik uca ulaşmadan tünelleme ile NT boşalımları oluşur. -- Bu konuya ilk olarak Eccles ve daha sonraları bir çok kişi tarafından dikkat çekilmiştir. -- Bu spontan tünellemeler; düşünce akışımızı, beyindeki devamlı gürültüyü ve minyatür son plak potansiyellerini açıklayabilir. Eccles JC. A unitary hypothesis of mind-brain interaction in the cerebral cortex. Proc Roy Soc London B 1990;240: Beck F. Synaptic Quantum Tunnelling in Brain Activity. NeuroQuantology 2008; In Press.

22 Elektriksel Sinaps -- Hele hele elektriksel sinapslar tünellemenin en iyi gerçekleşebileceği yerlerdir. Bilindiği üzere, elektriksel sinpaslar memelilerde de bulunur ve kimyasal aracı olmadan, doğrudan elektriksel geçişe izin verirler. Walker EH. Quantum Mechanical Tunneling in Synaptic and Ephaptic transmission. International Journal of Quantum Chemistry 1977;11:

23 Sinaptik Tünelleme R FDI Ulnar C8-T1 1.87 1.88 100ms 100µV 1.89 -- Burada sinir-kas kavşağından elde edilen MEEP (gürültüsü) ve arada iki diken görülmektedir (20-40 Hz). Bunlar kuantum tünellemenin bir sonucu olabilir. -- Bu potansiyellerin kaynağı tartışmalıdır ve kaynak sinaptik tünelleme olabilir. Walker EH. Quantum theory of consciousness. Noetic Journal 1991;1: Walker EH. The nature of consciousness. Mathematichal Biosciences 1970;7:

24 Eşdurumlu Çalışma -- Beynin en önemli özelliği, bütüncül beyin çalışması ve eşdurum halidir. -- Beyin, bireyselliğini terk etmiş hücrelerden oluşur. BUNU AÇIKLAYABİLECEK KUANTUM FİZİKSEL FENOMEN VAR MIDIR? -- Bunun gayet iyi yapabilecek bir özellik vardır ve bunun adı da BOSE-EINSTEIN YOĞUNLAŞMASIDIR. -- Buna göre, bütünü oluşturan elemanlar, belli şartlar altında, bireyselliklerini terk edip, aynı davranabilirler. Tıplı bir dans topluluğu gibi aynı ritme uyarlar. Bunun biyolojik sistemlerde de olabileceği gösterilmiştir. Bose-Einstein Yoğunlaşması Fröhlich H. Long-range coherence and energy storage in biological systems. Int J Quantum Chem 1968;2:

25 Bose-Einstein Yoğunlaşması
-- Bu bütüncül çalışma da; bilinç, zihin, düşünce, kişilik ve bir bütün olarak hissettiğimiz BEN’liğimizi oluşturuyor olabilir. Marshall IN. Consciousness and Bose-Einstein Condensates. New Ideas in Psychology 1989;7:1

26 Neyi Açıklayabiliriz? Düşünce Bellek Zihin içeriği (Qualia)
Bilincin birliği Farklı bilinç durumlarını İçimizdeki BEN duygusunu Özgür iradeyi Bilinç/Beyin sorununu Parapsikolojik fenomenleri