Nobel Ödüllü Izgara Hücreleri Nedir? Beynimizde Konum Hafızası Nasıl Çalışıyor?

2005 yılında May-Britt Moser ve Edvard Moser, beynimizin nerede olduğumuzu ve nereye gittiğimizi hesaplamasında büyük öneme sahip bir çeşit nöron olan ızgara (grid) hücrelerini keşfettiler. O zamandan itibaren mekansal farkındalığın, hafızanın ve karar mekanizmasının işlevsel hale gelmesinde rol oynayan ızgara hücrelerinin ‘yer’, ‘sınır’ ve ‘head direction’ gibi diğer tip nöronlar ile ne şekilde iletişim halinde olduğunu bulmak adına çalışmalarına devam ettiler. Izgara hücreleri navigasyon sistemini içeren entorhinal korteks, Alzheimer hastalığının erken evrelerinde çok yoğun olarak hasara uğramaktadır ve bu nedenden dolayı kavramsal yeneteğin ve hafızanın nasıl ve neden kaybolduğunu daha iyi anlayabilmek için Entorhinal korteks Alzheimer ve diğer nörolojik rahatsızlıkların tedavisinde önemli bir potansiyel haline gelmiştir. 

Hayatınızda gözle görebileceğiniz en ileri sistem kendi beyninizin içine kurulmuştur. Kodlanan bir sistemin varlığı ve tüm hayatınız boyunca karşılaştığınız olayları hafızaya alan ve onları haritalayan bir sistem. 

Araştırmacılar, farklı nöronların farklı işlevlere sahip olduklarını uzun zamandır bilmektedirler. Aynı zamanda, son 10 yıl içerisinde beynin farklı görevler ve olaylar ile karşılaşmasında farklı nöronların ne şekilde tepki verdiğini anlamak ve değerlendirmek için gerekli olan görüntülemeye, aparatlara ve ölçüm aletlerine sahip oldular. Üzerinden durulan nokta, beynimiz nasıl oluyorda çevremizi bulmaya ve tanımaya yardımcı oluyor üzerineydi. Oldukça ilginç bir konu. Çünkü, beynimiz bir navigasyon cihazına dönüşüyor ve yolumuzu bulmak için bize yardımcı oluyor ve bunu da hafızamıza depo ettiğimiz yollarla bağlantılı şekilde yapıyor. 

Biliyoruz ki, yaptığınız her hareketi görüntüleyen, her basamağı bilen, sahip olduğunuz deneyimlerinizle ve olaylarla bağlantı kuran bu kodlanan sistem bir tür hava trafik kontrolü gibi işlemektedir. Aslında, beynimiz yolumuzu bulma konusunda yardımcı olabilmek için oluşturduğu mental haritalama sırasında eş zamanlı olarak anıları, kokuları ve deneyimleri bu harita üzerine kopyalayıp bir katman oluşturmaktadır.

Haritadan Hafızaya

Beynin her toplanılan bilgiyi kaydetme yeteneği, çoklu katmanlar halinde bulunan anıların yer aldığı kognitif bir harita meydana getirir. Bu; beynin nasıl oluyorda bir navigasyon gibi hesap yaptığını anlamamız için önemli bir adımdır ve bu adım bizi insan yapan hayal etme, akıl yürütme ve plan kurmadan sorumlu olan cerebral korteks bağlantı zincirinin nasıl oluştuğunu bilmemize yardımcı olmaktadır. 

Bu mantıkla hareket ederek bir sonraki çalışmalar cerebral korteks’te kurulan bağlantı zincirlerinin beyin hasarlarına müdahale konusunda nasıl bir potansiyele sahip olduğumuz üzerine olacaktır. Ekonomik çalışmalar bunu net bir şekilde göstermektedir. Bir çalışmaya göre 2010 yılında beyin hasarlarına harcanan miktar yaklaşık 1.09 trilyon dolardır. Diğer bir çalışma ise sağlık harcamalarının %35’inin beyin hasarlarına yönelik olduğunu ortaya koymuştur. 

Bütün bu faktörler, üstüne koyarak ilerleyen bu bilgilerin neden beyin çalışmaları üzerine olduğunun, hem hastalığı önlemede hem de hafıza hasarlarının tedavisinde ve memelilerde mekansal navigasyon sisteminin öneminin altını çizmektedir. 

Bir Haritada Kodlama Deneyimi

Psikologlar hayvanların neye göre yer değiştirdiğine ve bizlerin ne, nasıl, neden yaptığımızın sorularına cevaben uzun zamandır kafa yormaktadırlar. İlk olarak, çoğu bilim adamı basitçe bir uyarı zorlama cevabı olarak düşünüyordu. Ancak, 1948’de psikolog Edward C. Tolman davranış bilimine yeni bir bakış açısı önerdi. İnsanların ve diğer hayvanların beyinleri bir çeşit mekansal çevre haritasına sahiptir dedi ve onlar deneyimlerini bu harita üzerine kodlamaktadırlar diye de ilave etti. 

Tolman’ın bu fikri önemsendi ve tartışıldı ama 1971’e kadar kabul görmedi. 1971 yılında John O’Keefe ve John Dostrovsky yer (place) hücrelerini keşfettiğinde bu görüş kabul edildi. Ne zaman hayvanları spesifik bir mekana koysanız hipokampüs’te bulunan yer hücreleri alev almakta yani aktifliği artmaktadır. Bu buluş, insanların ve hayvanların basit bir haritadan ziyade mental bir haritalama yapabileceğini göstermiştir. 

Izgara Hücrelerinin Keşfi

1970’lerdeki buluşlar bilim adamlarına neye ve nereye bakmalarına dair çok fazla işaret vermiştir. Ve onlarda baktılar ve buldular. Birinci anahtar buluş, ne zaman hayvanlar belirli bir düzergah ile karşılaşsalar alev alan head direction hücreleriydi.

2005 yılında hipokampüsün hemen yanında bulunan enthornial korteks’te yer alan ızgara hücreleri adında bir çeşit hücre keşfedildi. Izgara ismi; bir hayvan benzer bir lokasyona atladığnda ızgara hücreleri düzenli ve üçgen şeklinde yanarak ızgara oluşturduğunu belirtmektedir. Üç yıl sonra iki lab. eş zamanlı olarak başka bir tip hücrelerin varlığını rapor ettiler, sınır hücreleri. Bu hücreler bir hayvan ne zaman kendi alanının sınırına yaklaşsa alev alıyordu. 

HM’nin Mirası

Hafızanın oluşumunda hipokampüsün ne kadar önemli olduğunu biliyoruz. 1953’te epilepsi hastası olan HM bir cerrahi müdahale geçirdi ve epilepsisinin tedavisi için hipokampüsünü aldırdı. Ameliyat oldukça başarılı geçmişti ama hasta yeni hafızalar edinme becerisini tamamen kaybetti. Bu sayede hipokampüsün hafızada ki önemi anlaşıldı. 

Biliyoruz ki Alzheimer hastalığının ilk belirtilerinden birisi hafıza kaybıdır ve ilk olarak entorhinal kortekste ki hücreler ölmeye başlamaktadır. Aslında, beyninizin bu alanlarında lezyonlar var ise yolunuzu bulma yetisini ve anılarınızı tekrardan hatırlamayı kaybedersiniz. 

Yeni Teknolojiler

Bu hücrelerin keşfi insan kılından daha ince olan mikroelektrodlar sayesinde gerçekleşti. Bu elektrodlar nöronların ateşlenmesinin kaydedilmesine izin verecek kadar sıçan beyinlerinde ki her bir nörona yakın olmak zorundaydılar.

Sıçanın beyni üzüm tanesi kadardır ve yaklaşık 200 milyon nöron içermektedir. Her biri ortalama diğer 10.000 nöronla bağlantı halindedir. Beyinlerinin içi ise üzüm tanesinden daha küçüktür. Örneğin; yer hücrelerinin bulunduğu hipokampüs. Ancak, hangi hücreler bu yer hücrelerine gerekli bilgiyi sağlıyordu. Cevap; hipokampüsün yukarısında bulunan ve onu besleyen entorhinal korteks’tir. 

Nöronları Dinlemek

Mikroelektrodlar entorhinal korteks içerisinde yer alan hücrelerin elektriksel aktivitesini dinlememizi sağlamaktadır. Bu yolla sıçan entorhinal korteksinde ki yüzlerce nöronları dinleyebiliriz. Yüzlerce nöronu dinlemek, bizlere beynin kendi lokasyonuna özel bir kaç kapsül yapılarına sahip olduğunu keşfetmemize yardımcı olmaktadır. Her kapsül diğer kapsüllerden kendini ayıran, diğer karakteristik özelliklerin yanı sıra hareketin yolunu kayıt eden GPS benzeri haritalamaya sahiptir. 

Farklı kapsüller çevre değişimlerine farklı reaksiyon gösterirler. Beyin bu bağımsızlığı hafızanın oluşumunda çok yararlı bir araç olan farklı kombinasyonları oluşturmada kullanabilmektedir.

Bu buluş, çevrenin mental haritasını yapabilme yeteneğinin evrimsel süreçte çok erken dönemde başladığını belirtmektedir. Bütün türler navigasyona ihtiyaç duyar.

Beynin farklı kapsüllerinde yer alan ızgara hücreleri yer hücrelerine sinyaller gönderir. Bu kombinasyon hipokampüste etkinlik alanı yaratır, yer alanı. Bu sinyalleşme beyinde ki sinyallerin devamlılığında bir sonraki adımdır. Ne zaman çevre değişir, farklı ızgara kapsülleri değişime farklı reaksiyon gösterir ve çevrede ki yeni pozisyonlarla beraber ateşlenir işte ozaman bu birikim farklı yer hücrelerini aktive eder. 

Pratikte, bu demek oluyor ki ızgara hücreleri çevrenin değişimine cevap olarak hipokampüse kombinasyonal kodlar yollamaktadır. Her ufak değişim aktif hücrelerin yeni kombinasyonlarını doğurmaktadır. Anı dediğimiz yeni bir hafıza bu şekilde kodlanmaktadır.

Nöronların Konuşması

Hangi nöronlar hangi nöronlarla iletişim halindedir? Özel olarak merakımız ızgara hücrelerinin yer hücreleri ile olan iletişimi üzerinedir. Bu sorunun cevabı beynin en dibinde ki kısımların dahi nasılda birbirlerine bağlı olduklarını anlamamıza yardımcı olmaktadır.

Nöronlar birbirlerine sinyal yolladıklarında elektrik kablolarına benzer bir bağlantıyı paylaşırlar. Nöronun vücudundan bir doğrultuda elektrik yollanır ve diğer nöronun aksonuna ve dendritlerine uzanır. 

Bu çalışmada teknik olarak biyolojik taşıyıcı sistem olan Adeno-associated virus (AAS) kullanıldı. Bu yöntem bize hangi nöronun hangisi ile konuştuğunu göstermektedir. Spesifik nörona giriş yapabilen bir virüs modifiye edilir ve akson boyunca ilerler ve dendritlere ulaşır. Işığa duyarlı bir gen, bu taşıyıcı sisteme yerleştirildi. Bu gen, nöronların DNA’sına girebilmekte ve nöronların ışık vermesini sağlayabilmektedir. Ve bu şekilde nöron etkileşimleri izlenebilmektedir.

Yer hücrelerine bu ışık anahtar yerleştirilir. Sıçanın beynine ışığı yer hücrelerine aktaracak fiber optik yerleştirilir. Aynı zamanda gönderilen sinyalleri keşfetmek için miktoelektrodlar hücreler arasına implante edilir. Bu mikroelektrodlar fiber optik açıldıktan sonra ışık aksonlar boyunca gönderilen sinyalleri keşfetmemizi sağlar. Bu da bize hücre-hücre iletişiminin nasıl olduğunu anlamamıza yardımcı olur.

Karar Verme Mekanizması

Son olarak karar verme mekanizması araştırıldı. Labirent boyunca hayvanların hangi yolu seçtikleri ve ne tarafa yöneldiklerini anlama üzerineydi. Karar verme mekanizmasında ki nöronlar prefrontal kortekste bulunabilir. Bu korteks talamus da ki küçük bir nükleus ile hipokampüse bağlanmaktadır.

Yavaşça ama emin olarak bu bağlantıyı çözmek üzere araştırmalar yapmaktayız. Umut ediyoruz ki nöral ağ haritası beyin hastalıklarını engellemede ve ipuçları vermekte çok daha kullanılır hale gelecektir.