Laboratuvar ortamında petri kabındaki nöronun gelişiminin gerçek görüntüsü üzerinden yapay zekâ aracıyla hazırlanan video, öğrenme anında beyinde olanların birebir kaydı değil.
Laboratuvar ortamında kültüre edilmiş nöronların büyüme konileri aracılığıyla birbirine uzanmasını gösteren görüntüler sosyal medyada ilgi çekiyor.
Petri kabında nöronların uzantılarıyla birbirine bağlandığı anı gösteren hızlandırılmış mikroskop kaydı, “beyinde yeni bir bilginin öğrenilme anı” olduğu iddiasıyla kullanıldı.
Bahse konu görüntü:
Petri kabında nöronların uzantılarıyla birbirine bağlandığı anı gösteren hızlandırılmış mikroskop kaydı, “beyinde yeni bir bilginin öğrenilme anı” olduğu iddiasıyla kullanıldı. pic.twitter.com/K958TrdWWX
Söz konusu video beyin ve sinir sistemindeki öğrenme ve anı oluşturma sürecine ait değil.
Petri kabında birbirine bağlanan nöronların büyüme konilerinin görüldüğü video, nörobilimci Dr. Lila Landowski’nin kaydettiği videoya dayalı yapay zeka simülasyonu.
(Geçtiğimiz yıl gündem olan) Birbirini algılayan ve bağlanan iki nöronun (Dr. Lila Landowski tarafından kaydedilen) mikroskop altındaki görüntüsü şöyleydi:
Dr. Lila Landowski, kaydettiği görüntünün mahiyetini sosyal medya hesabında şu ifadelerle anlattı:
“İki nöron birbirine bağlanıyor. Bu videoyu daha önce görmüş olabilirsiniz. Petri kabını çöpe atmadan hemen önce görüntüleri kaydeden #nörobilimci benim . Şanslı! İnsanlar bunu “bu hafıza! Bu duygusal travmadan iyileşme!” diyerek yeniden paylaşıyor… ama öyle değil. Gerçek çok daha havalı.
Bu, sinir sistemimizin nasıl geliştiğini ve fiziksel bir yaralanmadan sonra ne yapmaya çalıştığını gösteriyor. Peki nöronlar, 86 milyar diğer nöronun bulunduğu bir beyinde kiminle bağlantı kuracaklarını nasıl biliyor ve vücudu beyne tam olarak doğru şekilde bağlamak için vücutta nasıl yol alıyorlar?
Videoda gördüğünüz bu ağsı, el benzeri yapılara büyüme konileri deniyor. Peki ya örümcek parmakları? Bunlara filopodia deniyor ve sürekli uzanıp, dokunup, çevrelerini test ediyorlar.
Anne karnında gelişirken, her bir gelişmekte olan nöronun ucunda, hücreler arasında aktif olarak yol arayan ve bağlanacak “O Tek Kişiyi” bulmaya çalışan bu “büyüme konilerini” bulacaksınız. Bunu başardıklarında, büyüme konisi emilir ve kaybolur.
Ve bu rastgele değil. Kablolama inanılmaz derecede hassas. Her birinin bir amacı olan 86 milyar kablo hayal edin. Bir motor nöron, tat alma tomurcuklarınızdaki bir tat hücresine yanlışlıkla bağlanmaz.
Bu görüntüler, gelişimde ve omurilik yaralanması gibi fiziksel travmalardan sonraki rejenerasyonda neler olduğunu göstermektedir. Büyüme konileri yaralanmalardan sonra yeniden filizlenir, ancak eski hedefleriyle yeniden bağlantı kurmakta zorlanırlar; bu da iyileşmenin zayıf olmasının nedenlerinden biridir.
Bu video, aksonal veya dendritik filizlenme adı verilen belirli bir nöroplastisite türünü göstermektedir. İnsanlar sık sık soruyor: “Bir şey öğrendiğimizde olan şey bu mu?” Hayır. Öğrenme tamamen farklı bir mekanizma aracılığıyla gerçekleşir: sinaptogenez veya sinaptik plastisite Sinapslar, nöronlar arasındaki minik bağlantılardır, nöronlar arasındaki minyatür öpüşme noktaları gibidirler. Büyüme konisinden çok daha küçüktürler. Dr. Daniel Bligh’ın dendritik dikenleri (sinaptik “öpüşmenin” bir tarafı) gösteren bu harika videosuna göz atın.
Eğlenceli gerçek: Bunu yaklaşık 15 yıl önce kaydetmiştim. Bu nöron tabağını çöpe atmak üzereydim. Sonra mikroskoba şöyle bir baktım, ilginç bir şeyin açılmaya başladığını gördüm ve “kaydet” tuşuna bastım. Kayıt süresini önceden ayarlamam gerekiyordu (20 dakika), bu yüzden bu kadar ani bitti.
Yani, izlediğiniz şey, beynin nasıl bağlantı kurduğuna dair bir bakış açısı. Beyinler kendilerini inanılmaz bir hassasiyetle inşa eder, her seferinde minicik bir el sıkışma ile. Kim bilebilirdi ki, mikroskobik büyüme konilerinin videoları bizi bir şeyler hissettirebilir?
Dipnot: Aslında iki nöronun fazlası. Tek bir nöron gibi görünen şey, aslında birkaç nöronun sıkı sıkıya birbirine sarılıp o kadar yakın olduğu ki tek bir birim gibi hareket ettiği bir grup nöron.”
Nöronların büyüme konisi, uzanan akson ve dendritlerin uçlarında yer alan, çevreyi tarayarak sinir ağlarının oluşumunu yönlendiren yüksek hareketli uç kısımdır.
Nöronların kimyasal ve fiziksel unsurları algılama özelliğine sahip küçük parmak benzeri çıkıntılara sahip büyüme konileri adlı hareketli uçlarını sinir liflerini potansiyel partnerlere doğru yönlendirerek sinaps oluşumu için temel oluşturur.
Nöroplastisite, beynin yaşam boyunca yeni sinir bağlantıları kurarak, mevcut bağlantıları güçlendirerek veya değiştirerek kendini yeniden organize etme yeteneğidir.
Öğrenme, nöroplastisite yoluyla çok daha küçük sinapsların güçlenmesiyle gerçekleşmektedir.
Beyindeki nöronların öğrenme anında kaydedilen bir video da günümüz şartları itibarıyla mevcut değil.
Nöronların Yapısı
Nöron, sinir sisteminde elektriksel ve kimyasal sinyallerin alınmasını, işlenmesini ve başka hücrelere aktarılmasını sağlayan özelleşmiş hücredir. Merkezi ve periferik sinir sisteminin işlevsel organizasyonunun temelini oluşturan nöronlar, uyarılabilirlik ve iletkenlik özellikleri sayesinde çevreden, iç organlardan veya diğer nöronlardan gelen bilgileri elektriksel sinyallere dönüştürür ve bu sinyalleri belirli hedeflere iletir. Bununla birlikte nöron, sinir sisteminin tek hücresel bileşeni değildir; nöronal işlevin sürdürülmesinde astrosit, oligodendrosit, Schwann hücresi ve mikroglia gibi glial hücreler de kritik rol oynar.
Tipik bir nöron anatomik olarak hücre gövdesi (soma veya perikaryon), dendritler ve akson olmak üzere üç temel bölüm üzerinden incelenebilir. Bu bölümler birbirinden yalnızca biçimsel olarak değil, üstlendikleri fizyolojik görevler bakımından da ayrılır.
Nöronun metabolik ve biyosentetik merkezi somadır. Hücre çekirdeği burada bulunur ve nöronun genetik faaliyetlerinin büyük bölümü bu bölgede gerçekleşir. Nöronlar yüksek enerji gereksinimine sahip hücreler olduğundan somada yoğun miktarda mitokondri bulunur. Protein sentezinde görev alan granüllü endoplazmik retikulum ve ribozomlar da belirgin biçimde gelişmiştir. Nöron sitoplazmasında ribozom ve granüllü endoplazmik retikulum kümelerinin oluşturduğu Nissl cisimcikleri özellikle dikkat çeker. Bunlar, nöronun yüksek düzeydeki protein sentezi gereksiniminin morfolojik göstergelerindendir. Ancak Nissl cisimcikleri aksonun başlangıç bölümünde ve aksonun kendisinde bulunmaz; bu özellik nöronun mikroskobik tanımlanmasında önem taşır.
Somanın çevresinden uzanan dendritler, nöronun başlıca alıcı yüzeylerini oluşturur. Genellikle çok sayıda, kısa ve dallanmış uzantılardır. Dendritlerin yüzey alanını artıran dallanma, aynı nöronun çok sayıda sinaptik girdiyi kabul edebilmesine olanak tanır. Dendritlerin üzerinde bulunan dendritik dikenler, özellikle merkezi sinir sistemindeki eksitatör sinapsların önemli bir bölümünün postsinaptik bölgelerini oluşturur. Bu yapılar statik değildir; sinaptik aktiviteye bağlı olarak biçim ve yoğunluk değiştirebilirler. Dolayısıyla dendritik yapı yalnızca pasif bir kablo sistemi değil, sinaptik bilgilerin bütünleştirilmesinde aktif rol oynayan dinamik bir bölgedir.
Nöronun diğer temel uzantısı aksondur. Dendritlerden farklı olarak çoğunlukla tek bir ana uzantı şeklinde gelişir ve uzunluğu mikrometrelerden bir metreyi aşan mesafelere kadar ulaşabilir. Aksonun temel görevi, nöronun oluşturduğu aksiyon potansiyelini hücre gövdesinden uzak bölgelere taşımaktır. Aksonun somadan ayrıldığı özel bölge akson tepeciği (axon hillock) olarak adlandırılır. Bunun devamında yer alan akson başlangıç segmenti, aksiyon potansiyelinin başlatılması açısından son derece kritik bir bölgedir. Buradaki yüksek yoğunluklu voltaj bağımlı sodyum kanalları, membran potansiyelinin eşik değere ulaşması durumunda aksiyon potansiyelinin oluşmasını kolaylaştırır. Bu nedenle nöronun elektriksel çıktısının başlangıç noktası yalnızca anatomik bir ayrıntı değil, nöronal bilgi işleme mekanizmasının merkezi unsurlarından biridir.
Aksonun büyük bölümü aksolemma adı verilen hücre membranı tarafından çevrelenir ve içerisinde mikrotübüller, nörofilamentler ile çeşitli moleküler taşıma sistemlerini içeren akson plazması (aksoplazma) bulunur. Akson boyunca gerçekleşen aksonal transport, proteinler, veziküller, organeller ve diğer hücresel bileşenlerin soma ile akson terminali arasında taşınmasını sağlar. Kinezin ve dinein gibi motor proteinleri aracılığıyla gerçekleşen bu taşıma sistemi, nöronun uzun mesafeli anatomisi nedeniyle yaşamsal öneme sahiptir.
Bazı aksonların çevresi, lipit açısından zengin bir membran yapısı olan miyelin kılıfı ile sarılmıştır. Merkezi sinir sisteminde miyelin oligodendrositler, periferik sinir sisteminde ise Schwann hücreleri tarafından oluşturulur. Miyelin, aksonu elektriksel olarak izole ederek aksiyon potansiyelinin iletim hızını önemli ölçüde artırır. Miyelinli aksonlarda kılıf boyunca düzenli aralıklarla bulunan Ranvier düğümleri, voltaj bağımlı iyon kanallarının yoğunlaştığı kısa membran bölgeleridir. Aksiyon potansiyeli bu düğümler arasında sıçrayarak ilerler; bu mekanizma saltatorik iletim olarak adlandırılır. Böylece sinyal iletimi hem daha hızlı hem de enerji açısından daha verimli hale gelir.
Aksonun distal ucunda genellikle dallanma meydana gelir ve akson terminalleri veya sinaptik uçlar ortaya çıkar. Bu bölgeler, nöronun diğer bir nörona, kas hücresine veya salgı yapan bir hücreye sinyal aktardığı özelleşmiş yapılardır. Nöronlar arasındaki iletişimin büyük bölümü sinapslar üzerinden gerçekleşir. Presinaptik terminalde bulunan sinaptik veziküller nörotransmitterleri içerir. Aksiyon potansiyelinin terminale ulaşmasıyla voltaj bağımlı kalsiyum kanalları açılır; hücre içine giren kalsiyum, veziküllerin presinaptik membranla kaynaşmasını ve nörotransmitterlerin sinaptik aralığa salınmasını tetikler. Nörotransmitter daha sonra postsinaptik hücre membranındaki özgül reseptörlere bağlanarak yeni bir elektriksel veya biyokimyasal yanıt oluşturur.
Nöronların morfolojisi, sahip oldukları uzantıların sayısı ve düzenine göre değişiklik gösterir. Multipolar nöronlar çok sayıda dendrit ve tek akson taşır ve insan sinir sisteminde en yaygın nöronal organizasyon biçimidir. Bipolar nöronlarda bir dendritik uzantı ve bir akson bulunurken, unipolar ve psödounipolar nöronlarda uzantıların anatomik organizasyonu daha farklıdır. Özellikle dorsal kök ganglionlarında bulunan psödounipolar nöronlarda soma, periferden gelen duyusal bilgiyi merkezi sinir sistemine taşıyan tek bir uzantının üzerinde yan konumda yer alır.
Nöron anatomisini yalnızca soma, dendrit ve aksondan oluşan basit bir hücre şeması olarak değerlendirmek yanıltıcı olur. Nöronun her bölgesi farklı iyon kanalı dağılımlarına, membran özelliklerine, sitoskeletal organizasyona ve moleküler yapılara sahiptir.
