Beyin örgütlenmesi

Beyin Örgütlenmesine Dair Yeni Bir Kuram Bilincin Gizemini Hedef Alıyor

Bilinç, beynin en anlaşılmaz gizemlerinden biridir. Termodinamikten esinlenen yeni bir kuram, beyindeki sinir ağlarının nasıl örgütlenerek kısa bir süre için anılara, düşüncelere ve bilince yol açtığını açıklayan üst düzey bir bakış açısı sunuyor.

Farkındalığın anahtarı enerjinin gel-gitidir: Nöronlar bilgi işlemeyi desteklemek için işlevsel olarak bir araya geldiklerinde, etkinlik örüntüleri okyanus dalgaları gibi senkronize olur. Bu süreç, görünmez bir el gibi termodinamik ilkeler tarafından doğal olarak yönlendirilir: Bu ilkeler bilinçli farkındalığı destekleyen sinirsel bağlantıları geliştirirler. Bu süreçteki kesintiler sinir ağları arasındaki iletişimi bozarak epilepsi, otizm veya şizofreni gibi nörolojik bozukluklara yol açar.

Yol Gösterici İlke Olarak Enerji Durumları

Bilim insanları uzun zamandır bilincin beyinde nöronlar arasındaki yaygın olarak dağılmış eşgüdümlü faaliyetten kaynaklandığını varsaymaktadır. Global Çalışma Alanı Kuramı (Global Workspace Theory) adlı bir çerçeve, bazı beyin bölgelerinin bilgiyi birbiriyle bağlantılı çok sayıda beyin alanı boyunca uzay ve zaman içinde bütünleştirdiğini ve bunun da bellek, dikkat ve dil gibi çeşitli süreçler için global olarak kullanılabilir verilerle sonuçlandığını ileri sürmektedir. Bütünleşik Bilgi Kuramı (Integrated Information Theory) adlı başka bir hipotez ise bilincin, beynin yoğun bağlantılarının sonucu olduğuna (ve bunun derecesinin hesaplanabileceğine) inanmaktadır.

Onlarca yıllık çalışmalara rağmen, bu kuramlar daha zor bir soruyu doğrudan ele almamaktadır: Bilincin beyinde ortaya çıkması için bu bağlantıları yönlendiren ilkeler nelerdir? Kilitli kalmış (locked-in) hastalarla iletişim kurmaya ve akıllı makinelerde bilinci belirlemeye odaklanan çabalar giderek artarken, beyin örgütlenmesini yönlendiren biyolojik ilkelerin peşinde koşmak giderek daha önemli hale gelmektedir.

Yeni çalışma, klasik fiziği (özellikle termodinamiğin bazı yasalarını) çağdaş sinirsel aktivite kayıtlarıyla birleştirerek, serbest enerjideki değişikliklerin (bir sistemin içinde mevcut enerji miktarının) sinir ağlarındaki aktiviteyi kısa süreliğine senkronize etmeye nasıl yardımcı olduğuna dair genel bir çerçeve çiziyor.

Bilinçli durumlar sırasında, beyin farklı duyulardan gelen bilgileri hem etkin biçimde bütünleştirmeli, hem de ayırmalıdır. Bu nedenle, bilinçsizken olduğundan daha fazla enerji tüketir. Araştırma ekibi her biri bir beyin “makro durumu” olarak kabul edilen uyanıklık, uyku, koma ve nöbetler sırasında insanların sinirsel kayıtlarını kullanarak, bilinçli durum sırasındaki entropinin bilinçsiz durumlardakinden daha yüksek olduğunu buldu. Bir kavram olarak, entropi birçok özel şekilde yorumlanabilir ve ölçülebilir. Burada, entropi senkronize veya “bağlı” beyin ağlarının yapılandırma sayısıyla ilişkilidir.

Çalışmayı yürüten Perez Velazquez ve meslektaşları, “Daha fazla nöron bağlandıkça enerji dağılır” diyor. Termodinamik denklemler kullanan modeller, sağlıklı ve bilinçli durumların daha fazla dağılmaya eğilimli olduğunu gösteriyor.

Ancak, mesele sadece beyindeki serbest enerji miktarı değil.

Her makro durum, birden fazla yapılandırılabilir mikro durumdan oluşur. Bilinçli farkındalık sırasında, beyinde optimum sayıda bağlı sinir ağı ve bilişi desteklemek için çok daha fazla mikro durum bulunur. Buna karşılık, nöbetler gibi bilinçsiz durumlar sırasında, çok fazla bağlı sinir ağı vardır ve bu da daha az mikro duruma neden olur; böylece daha düşük entropi ve daha yüksek serbest enerji, beynin arızalanmasına neden olur.

Yazarlar, “Sağlıklı beyin durumlarını sürdürmek, beyindeki toplam enerji miktarıyla değil […] daha çok enerjinin nasıl örgütlendiğiyle ilgilidir” diyor.

Beyin Örgütlenmesine Dair Genel Bir İlke

Hepsi birlikte beyin örgütlenmesine enerji farkları (gradient) ve dağılımı merceğinden bakmak sağlıklı, bilinçli beyin durumlarını bilinçsiz olanlardan ayırabilen bir kurama -veya geçici olarak bir “ilkeye”- dönüşür. Bu nedenle ekip, yaklaşımlarının, örneğin belirli epileptik nöbetlerde bilinç bozulduğunda ne olduğunu daha fazla açıklamak için kullanılabileceğine inanıyor.

Bu ilkeyi kullanarak ekip, normal beyin aktivitesinin anormal durumlara nasıl dönüşebileceğine dair bir yorum sundu. Nöronlar aşırı aktifleştiğinde, bu, çok uzun süren veya beynin çok geniş bölgelerine ulaşan normalden daha yüksek bir senkronizasyonla sonuçlanır. Başka deyişle, beyin çok kararlı bir duruma yerleşir. Bu fikir bilince dair Beyin-Davranış Sürekliliği’nde ayrıntılı olarak açıklanmış olan daha önceki bir yorumla da örtüşmektedir. 

Sonuç olarak, beyin daha düşük entropiye ve dolayısıyla değişken beyin aktivite kalıpları oluşturma yeteneğine (yani, daha az mikro duruma) sahiptir: Bu, etkileşimli sinir ağı konfigürasyonunun daha az sayıda olmasına neden olur. Bu da beyni dış dünyaya hızlı ve esnek bir şekilde uyum sağlama yeteneğinden yoksun bırakır. Bazı durumlarda, bilinç de dağılır.

Kaynak: A new theory of brain organization takes aim at the mystery of consciousness

October 27, 2019.  https://neurosciencenews.com/brain-organization-consciousness-15132/