Bilişsel Nörobilimler (Cognitive Neurosciences)

Nörobilim (Neuroscience): Sinir sistemini (SS) inceleyen bilim dalına verilen isimdir. Çok önceleri Biyolojinin bir alt dalıyken şimdi disiplinler arası 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 (+ Davranış ve öğrenme) Farklı 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: 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. Bilgi İşleme Yaklaşımı: İnsan bilişini (düşünsel süreçlerini) anlamada “bilgisayar metaforunu” kullanır. Bilişsel Bilim: Zihnin ve zihinsel süreçleri ne, nasıl olduğunu inceleyen alan (bilginin temsili, hesaplamalar/işlenmler)

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

Tarihçe SS incelenmesi Eski Mısır’a (İ.Ö. 1700) kadar uzanır. Baş ağrısı ya da akıl hastalıklarının tedavisi için kafatası kemiklerinin açılması (trepanation) Kalp bilincin/aklın bulunduğu yer. Hipokrat (İÖ 460-370): Beyin sadece duyumla ilgili merkezleri bulundurmaz aynı zamanda aklın ve bilişin bulunduğu yerdir (en uzmanlaşmış organlar nerede?) Plato (İÖ 427-347): Beyin ruhun akılcı (rasyonel) kısmının bulunduğu yerdir. Aristo (İÖ 384-322): Kalp Hipotezi (Beyin soğutma amaçlı) Galen (İS 129 -216): Beyin Hipotezi (Gladyatörler)

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 ve 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 sade tekbir 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. Bilişsel devrim (1950’ler-1960) G. Miller ve M. Gazzaniga : Bilişsel Nörobilimler (1970’lerin sonlarına doğru)

BAĞLANTICILIK ve BİRİMSELLİK (CONNECTIONISM ve MODULARITY 1950-60’lar) Bir takım rahatsızlıkları açıklayan Bağlantıcı Modellerin oluşturulması (Rummelhart ve McClelland) Farklı nöral devreler farklı İşlevleri yerine getirmek için uzmanlaşmış olabilir. İşlevsel bozukluk Bu alanlara Alanlar arasındaki bağlantılara Herikisine gelen bir hasar sonucu olabilir Bilişsel süreçler paralel dağıtık Işlemleme ile sağlanmaktdır.

BAĞLANTICILIK ve BİRİMSELLİK (CONNECTIONISM ve MODULARITY 1950-60’lar) Jerry Fodor (Modularity) İki çeşit bilişsel işlev var: 1) Merkezi Birçok bilişşel görevde kullanılan: Dikkat, düşünme, bellek gibi 2) Modüller (otonom ve localizeler) Belirli bir işleve özü süreçler: Renk, şekil, hareket gibi belirli süreçler Luria’da Fodor’la benzer düşünmekte. Davranış bütün beynin bir işlevi fakat herbir alt beyin bölgesi bu davranışa farklı düzeylerde katkıda bulunur…

SİNİR HÜCRELERİ ve NÖROGLIA NÖROANATOMİ SİNİR HÜCRELERİ ve NÖROGLIA NÖRON (NEURON) astrocytes oligodendrocytes, microglia, ependymal cells 1,300 - 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= 150,000-180,000 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

NÖROANATOMİ Merkezi yarık (central sulcus) Silviyan Yarığı (Sylvian Fissure) Parieto-oksipital fissure Sulcus: Girinti Fissure: Yarık Gyrus: Çıkıntı Transverse Fisür

Superior Temporal Gyrus Midle Temporal Gyrus Inferior Temporal Gyrus

Beyin ilgili bazı uzaysal yönelim bilgileri Düzlemler

Axial

İnter hemispheric fissure

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

SIKLIKLA KULLANILAN YÖNTEMLER 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) a) b)

SIKLIKLA KULLANILAN YÖNTEMLER 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 fNIRS Functional Near-Infrared Spectroscopy 700-900 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