Bilişsel Nörobilimler (Cognitive Neurosciences)

Zihin/Beden Problemi ZİHİN/ BEYİN SORUNU MONİZMDUALİZM Mentalizm (İdealizm) Materyalizm (Fizikselcilik) Psikofizik Etkileşimselcilik Psikofizik Paralelcilik  Dualizm (Psikofizik etkileşimcilik): Descartes, Zihin (fizikötesi-ölümsüz) ve beden ayrı tözlerden oluşmuştur (nörobilimin kaderi?)  Çift görünüm kuramı (dual aspect theory): Spinoza, zihin ve beyin aynı şeyin iki farklı düzeydeki açıklamasıdır (foton: hem parçacık hem dalga)  İndirgemecilik (reductionism): Zihin temelli kavramlar (biliş, duygular, dikkat gibi) bilimdeki ilerlemelerle biyolojik kavramlar haline gelecek (Psikolojinin kaderi?)

Nörobilim Bilişsel Psikoloji Bilişsel Bilimler Nöropsikoloji Fizyolojik Psikoloji Bilgisayar Bilimleri Matematik Felsefe Dilbilim Bilişsel Sinirbilim Biyoloji Tıbbi Bilimler Kimya

 Nörobilim (Neuroscience-neurobiology): Sinir sistemini (SS) inceleyen bilim dalına verilen isimdir.  Çok önceleri Biyolojinin bir alt dalıyken şimdi disiplinlerarası bir bilimdir.  Interdisipliner bir alan: Biyoloji, Kimya, Fizyoloji, Anatomi, Fizik, Bilgisayar Bilimleri, Matematik, Mühendislik, Dil Bilim, Tıp, Felsefe ve Psikoloji.  Nörobiyoloji (SS biyolojisi) ve Nörobilim (sinir sisteminin işleyişinin birçok disiplin tarafından incelenmesi) farkı nedir?  Sinir sisteminin moleküler, hücresel, gelişimsel, yapısal, işlevsel, evrimsel, işlemsel (computational) ve tıbbi özelliklerini ele alır.

Bilişsel Nörobilim (Cognitive Neuroscience)  Biliş: Duyusal girdinin dönüştürülmesinden, indirgenmesinden, değerlendirilmesinden, depolanmasından, geri getirilmesine ve kullanılmasına değin tüm süreçlere ilişkin bir terim. Bilişsel Psikoloji (Ulric Neisser): Dikkat, dil kullanımı, bellek, algılama, problem çözme, yaratıcılık ve düşünme gibi “zihinsel süreçleri” inceleyen psikoloji alanı.  Bilişsel Psikolog “Davranışı etkileyen zihinsel süreçleri” inceler.  Bu süreçlerin birçoğu dışasal bir uyaran olmadığında da yürütülür

Bilişsel Nörobilim (Cognitive Neuroscience)  Bilişsel Psikoloji zihinsel süreçleri anlamak için metaforlar kullanır.  “Bilgisayar metaforunu” İnsan bilişini (düşünsel süreçlerini) anlamada kullanır.  Bilgi işleme yaklaşımı: B.Psikoloji insan zihnini tıpkı bilgisayar gibi bilgi işleyen bir yapı olarak ele alır. Bilişsel Bilim (çok disiplinli bir alan): Zihin ve zihinsel süreçlerin ne ve nasıl olduğunu inceleyen alan.  Bilişin doğası ve işlevleri, bilginin nasıl temsil edildiği, işlendiği dönüştürüldüğü, üzerinde yapılan hesaplamalar/işlemelerin ne ve nasıl olduğu gibi süreçleri aydınlatmaya çalışır.

 Nöral yapıların bilişi ve duyguları nasıl ortaya çıkardığını inceleyen bilim alanı  Belirli nöral hasarlar söz konusu olduğunda zihinsel süreçlerde nasıl değişikliklerin meydana geldiğiyle de ilgilenir.  Deneysel psikoloji ve Nörogörüntüleme (Neuroimaging) yöntemlerini etkin bir şekilde kullanır (fMRI, PET, EEG-ERP) Bilişsel Nörobilim (Cognitive Neuroscience) (George Miller ve Michael Gazzaniga-1970’ler)  Beyindeki nöral ağlar ve devreler tarafından psikolojik işlevlerin nasıl oluşturulduğu/ortaya konduğunu araştırır (fizyolojik psikoloji, bilişsel psikoloji, nöropsikoloji ve nörobilim).

 SS incelenmesi Eski Mısır’a (İ.Ö. 1700) kadar uzanır (Edwin Smith Papirüsü)  Baş ağrısı ya da akıl hastalıklarının tedavisi için kafatası kemiklerinin açılması (trepanation)  Kalp bilincin/aklın bulunduğu yer.  Hipokrat (İÖ ): Beyin sadece duyumla ilgili merkezleri bulundurmaz aynı zamanda aklın ve bilişin bulunduğu yerdir (en uzmanlaşmış organlar nerede?)  Plato (İÖ ): Beyin ruhun akılcı (rasyonel) kısmının bulunduğu yerdir.  Aristo (İÖ ): Kalp Hipotezi (Beyin soğutma amaçlı)  Galen (İS ): Beyin Hipotezi (Gladyatörler)(sinir yolakları-ventriküller) Tarihçe

 Vesalius (1514–1564): Sinirlerin içerisinin boş olmadığını ileri sürmüştür. Zihin ve duyguların yürütüldüğü merkez beyindir. Ventriküller zihinsel süreçler için önemli merkezlerdir.  René Descartes (1596–1650): Dualizm (Kopernik, Bruno, Galileo)  Mikroskop ve boyama tekniklerinin gelişmesiyle birlikte hücre ve beyin hakkındaki bilgilerimiz daha da arttı (1890’lı yıllar)  Galvani: Kasların ve nöronların elektrikle ile uyarılabilmeleri (Bioelektrisite-elektrofizyolji * Balloonist teorinin (Galen-Descartes) çöküşü)

 M. Schleiden ve T. Schwann (Hücre teorisi-1839) -Tüm canlılar hücrelerden oluşur -Yaşamın en küçük temel yapı birimleri -Biogenesis (Louis Pasteur)  Golgi: Gümüş Nitrat Boyama tekniği-Retikülar teori (Gerlach).  Santiago Ramón y Cajal???: Nöron Doktrini (beynin işlevsel birimi nörondur) (H. Waldeyer-Hartz: neuron)

Nöron Doktrininin Bileşenleri  Nöral Birimler: Beyin nöron olarak adlandırılan dendrit, hücre gövdesi ve akson gibi özelleşmiş parçaları bulunan nöronlardan meydana gelmiştir.  Nöronlar hücredir: Tıpkı diğer dokuları oluşturan hücreler gibi nöronlar da hücredir.  Özelleşme: Nöral birimler beyindeki yerlerine ve işlevlerine göre büyüklük, şekilsel ve yapısal olarak farklılaşabilir.  Çekirdek hücrenin yönetim merkezidir.  Sinir Lifleri sinir hücrelerinin dışa doğru büyümesiyle oluşmuştur.  Sinir hücreleri bölünerek çoğalırlar.

Nöron Doktrininin Bileşenleri  Bağlantı: Sinir hücreleri diğer sinir hücrelerine bağlantı noktaları üzerinden temas eder. İki hücre arasında sitoplazmik bağlantı yoktur.  Dinamik Polarizasyon Kanunu: Akson her iki yönde de sinyal iletebilmesine ragmen belirli bir sinir hattı üzerinde sadece tek bir yönde sinyal iletir  Sinaps: İki nöron arasındaki bağlantı sinaps yoluyla olur.  İletim birliği: iki nöron arasındaki bağ ya ketleyici ya da hızlandırıcır.  Dale’in Yasası: her bir sinir terminali sadece tek çeşit nöroiletken salgılar. -Elektiriksel sinapslar (gap junctions) -Birlikte taşınma (Cotransmission) GABA–glycine ; D - glutamate; AcH -glutamate gibi…

 Müller (özel/özgül sinir enerjileri doktrini) ve Helmholtz (Sinir iletim hızı)  Broca: Bazı belirli beyin bölgeleri belirli zihinsel işlevleri yerine getirmektedir.  Gall ve Spurzheim: Phrenology  Wernicke: dili anlama ve üretme için farklı beyin bölgeleri korteks (cortex) üzerinde uzmanlaşmıştır.  Brodmann: Beyin kabuğunun sitoarketektonik haritasını (Brodmann alanları) oluşturmuştur.  Flourens ve Lashley: Bütüncül yaklaşım (kütle etkisi ve eşdeğerlilik  Angelo Mosso: Beyindeki kanlanma zihinsel süreçlerle ilgili  Bilişsel devrim (1950’ler-1960)  G. Miller ve M. Gazzaniga : Bilişsel Nörobilimler (1970’lerin sonlarına doğru)

Brodmann alanları (sitoarkitektürel özelliklere göre 52 alan) Frenoloji

BAĞLANTICILIK ve BİRİMSELLİK (CONNECTIONISM ve MODULARITY ’lar) Bir takım rahatsızlıkları açıklayan Bağlantıcı Modellerin oluşturulması (Rummelhart ve McClelland) Farklı nöral devreler farklı İşlevleri yerine getirmek için uzmanlaşmış olabilir. İşlevsel bozukluk 1)Bu alanlara, 2)Alanlar arasındaki bağlantılara 3)Her ikisine gelen bir hasar sonucu olabilir Bilişsel süreçler paralel dağıtık Işlemleme ile sağlanmaktdır.

Bilişsel Nörobilimlerde Kullanılan Yöntemler Invasive: Girişimsel Recording: Kayıt Stimulation: Uyarım Non invasive: Girişimsel olmayan tDCS: Transcranial Direct Current Stimulation (Transkranial Doğru Akım uyarımı)

Bilişsel Nörobilimlerde Kullanılan Yöntemler in vivo; uzaysal (spatial) çözünürlük; zamansal (temporal) çözünürlük

BAĞLANTICILIK ve BİRİMSELLİK (CONNECTIONISM ve MODULARITY ’lar) Jerry Fodor (Modularity) İki çeşit bilişsel işlev var: 1) Merkezi sistemler Birçok bilişşel görevde kullanılan: Dikkat, düşünme, bellek gibi (alan bağımsız) 2) Modüller (otonom ve lokalizeler) Belirli bir işleve özü süreçler: Renk, şekil, hareket gibi belirli süreçler (alan bağımlı-genetik olarak kodlanmış-verimli) Luria’da Fodor’la benzer düşünmekte. Davranış bütün beynin bir işlevi fakat herbir alt beyin bölgesi bu davranışa farklı düzeylerde katkıda bulunur…

NÖROANATOMİ SİNİR HÜCRELERİ ve NÖROGLIA NÖRON (NEURON) (1)astrocytes (2)oligodendrocytes, (3)microglia, (4)ependymal cells 1, ,400 gr 100 milyar nöron Zamana göre ortalama nöron kayıbı (Neocortex) Günlük= 85,000 Yıllık= ~31 milyon Saniyede= 1 *(Pakkenberg et al., 1997; 2003) Beyindeki myelin kaplı hürelerin uzunluğu= 150, ,000 km Sinaps sayısı= 0.15 katrillion Sol>Sağ Yarım Küre= 186 Milyon

NÖRONLAR ve BİLGİ TAŞIYICILAR Miyelin kılıf Dendrit Hücre çekirdeği Hücre gövdesi Akson Akson ucu veya Düğmeciği Ranvier boğumu Akson tepeciği

NÖRONLAR ve BİLGİ TAŞIYICILAR Pre-sinaptik akson (nöron) (aktif iletim) Post-sinaptik dendrit/soma(nöron) (pasif iletim) Post-sinaptik akson (aktif iletim)

Akson Potansiyeli Nasıl Oluşumu: Başlangıç

Hücre zarı üzerinde iyon kanalları bulunmakta. Voltaja duyarlı (kapılı) İyon kanalı nHücre içi ve dışındaki elektrik yük farklarına duyarlı kanallar Akson Potansiyeli Nasıl Oluşumu: Başlangıç

 Hücre zarı üzerinde iyon kanalları bulunmakta.  Nöroiletken duyarlı (kapılı) İyon kanalları (Örnek GABA)  Her zaman açık iyon kanalları Akson Potansiyeli Nasıl Oluşumu: Başlangıç

İonlar Kutuplaşma Dinlenme potansiyeli Depolarizasyon Dereceli potansiyel Ya hep ya hiç prensibi Mutlak doygunluk devresi Göreli doygunluk devresi Oran yasası (Rate law) SİNİR AKIMI

1) Na + kanalları açılır ve Na + içeri girer 2) K + kanalları açılır ve K + hücre dışına çıkmaya başlar 3) Na + kanalları kapanır. 4) K + hücre dışına çıkmaya devam ederek hücre zarı potansiyelinin dinlenme durumdakine dönmesine neden olur. 5) K + kanalları kapanır. 6) Daha fazla K + hücre dışına çıkar. Hücre zarı potansiyeli ( mV ) Uyarılma Eşiği Refractory-doygunluk

GENEL OLARAK BEYİN Merkezi yarık (central sulcus) Silviyan Yarığı (Sylvian Fissure) (lateral yarık) Parieto-oksipital fissure Transverse Fisür Sulkus: Girinti Fisür: Yarık Girus (gyri?): Çıkıntı Beyaz cevher Gri cevher

Bağlantılar Birleştirme demetleri yolakları Komissür (Korpus kallozum) Projeksiyon (izdüşüm) demetleri

Odacıklar Yanal veya lateral odacık Üçüncü odacık Dördüncü odacık Serebral akuaduktus

Superior Temporal Gyrus (girus) Midle Temporal Gyrus Inferior Temporal Gyrus Neokorteks Mesokorteks (singulat girus+insula) Allokorteks (primer olfaktor, hipokampus)

Beyin ilgili bazı uzaysal yönelim bilgileri Düzlemler

Axial Yukarıya doğru Öne doğruArkaya doğru Aşağıya doğru

Rostral: öne buruna doğru Caudal: Kuyruğa doğru Lateral: yana doğru Medial: Ortaya doğru Bilateral: her iki yarım kürede İpsilateral: aynı tarafta Kontralateral: Karşı (çapraz) tarafta

İŞLEVSEL GÖRÜNTÜLEME Fonksiyonel Manyetik Rezonanz Görüntüleme (Functional Magnetic Resonance Imaging: fMRI) -Kan Oksijen Düzeyine Bağlı Sinyal (Blood-Oxygen-Level Dependent Signal, BOLD, S. Ogawa, 1990) -Oksijenin hemoglobine bağlanması-ayrılması -Blok (boxcar) Desenler (a) -Olay İlişkili Desenler (b ) -Functional connectivity (işlevsel bağlantıcılık) -Resting State fMRI- DMN (dinlenme durumu) SIKLIKLA KULLANILAN YÖNTEMLER a) b)

İŞLEVSEL GÖRÜNTÜLEME fMRI Nöronal aktivitenin yerini dolaylı olarak göstermekte Katılımcı hareketsiz kalmalı Soğuk Gürültülü Görece ucuz (PET’ten) Görevlerin öğretilmesi gerekmekte Kapalı alan korkusu olanlarda problematik Ferromagnetik objeler tehlike oluşturmakta Büyük boşluklara yakın alanlarda görüntüde netlik kaybı SIKLIKLA KULLANILAN YÖNTEMLER

İŞLEVSEL GÖRÜNTÜLEME SIKLIKLA KULLANILAN YÖNTEMLER fNIRS Functional Near-Infrared Spectroscopy nm arasındaki ışığın optodlardan yollanması (emiter) ve diğer optodlar tarafından (detektör) yansıyan ışığın ölçümlenmesi Bu ölçümleme kandaki oksijen miktarına duyarlı (deoksihemoglobin ışığı daha fazla absorbe ediyor. Beer-Lambert kanunu BOLD Yüzeyden ölçümlenebilir (4 cm) Daha ucuz (fMRI’a göre) Katılımcı için daha rahat ortam fMRI göre daha kötü uzaysal çözünürlük