Tuğçe Gül Yeşilyayla - Moleküler Biyoloji ve Genetik, Fen-Edebiyat Fakültesi, Uludağ Üniversitesi
Aramızda ilkokul numarasını, teneffüs sırasında kantinden aldığımız görüntüsüyle bile ağzımızı ekşiten sakızı, patlayan şekeri, meybuzu hala hatırlayanınız vardır. Eskilerdeki pazar günleri yapılan kahvaltılar, MSN, unutulmaz Cem Yılmaz reklamları, çok sağlam 3310 telefon, CD’lere yüklenen 2000 pop müzikleri ve CD’nin DVD çalara ittirerek koymanın verdiği minik pişmanlıklar, Hugo, Teletabiler, Jetgiller, Şirinler, Pokemon, Leyla ile Mecnun, Avrupa Yakası ve daha nice dizi, filmler, müzikler… Birçoğumuz tüm bu yazdıklarımı tebessümle hatırlamış olabilirsiniz. Yıllar geçse de yaşadığımız her anı parçasının bizde bıraktığı hisler, kokular beynimizde hala tazeliğini korumakta. Ancak buna karşılık sınav öncesinde son gün öğrenilen bilgilerin, lise zamanı çalıştığımız konuların, yanımızdan geçen insanların suretlerinin büyük bir oranı özel bir hafızanız yok ise unutulmuştur. Bebeklikten öğrenim hayatımız hatta meslek hayatımız boyunca pek çok şey öğrendik/öğreniyoruz. Öğrenmenin sınırı olmadığı gibi yaşının da olmadığının farkındayız. Derslerde öğrenilen bilgilerin aksine bisiklet binmeyi öğrenmek, müzik aleti çalabilmek, bir dil konuşabilmek veya resim yapabilmek gibi beceriler akılda daha kalıcı bir yer ediniyor, yıllar sonra bile olsa bu becerileri gerçekleştirebiliyoruz. İnsan beyninin kapasitesi şüphesiz muhteşem genişlikte lakin bir o kadar da muhteşem çabuklukta unutabiliyoruz. Öğrendiğimiz şeylerin kalıcılığını yıllar geçse de nasıl koruyabiliriz? İnsan hafızasının bu kısa ve uzun dönemli kalıcılığı nasıl gerçekleşmektedir? Bu soruların cevaplarını, öğrenmek fiilini gerçekleştirirken beyin ne yapmaktadır, beyin nasıl hatırlamaktadır gibi soruların cevabıyla öğreneceğiz.
Hafıza Nedir? Öğrenmede Uzun Dönem ve Kısa Dönem Hafıza
Hafızayı öğrenilen herhangi bir bilgi girdisini beyinde depolayabilmektir diye basitleştirebiliriz. Ancak beyin için bilgiyi uzun süre depolayabilmek karmaşık ve muhteşem nörokimyasal ve nörofizyolojik mekanizmalarıyla mümkün olmaktadır. Hafıza sistemleri kısa dönem hafıza (Short-Term Memory (STM)), uzun dönem hafıza (Long-Term Memory (LTM)) ve çalışan hafıza (Working Memory (WM)) olarak üçe ayrılmaktadır. Kısa süreli hafıza daha görseldir ve eğer konsolidasyon denilen süreçle uzun süreli hafızaya dönüşmezse hızla silinir. Uzun süreli hafıza ise daha fazla anlamlı bağlantı içerip sınırsız bir kapasiteye sahiptir. Çalışan hafıza ise tam olarak kısa süreli hafızadan ayrılmış değildir. WM; kısa süreli bilgiyi güncelleyip yönlendirebilir. Örneğin bir kağıt olmadan aritmetik bir problem çözmek veya aynı malzemeyi iki kez eklemek gibi bir hata yapmadan kek yapabilmek… yani basit bilgileri daha çok zihinsel bir çalışma alanında işlenmesiyle meydana gelen hafızadır [1]. Öğrenme eylemine geri dönecek olursak bu işlem sinaptik plastisitedeki artış ile mümkün olmaktadır. Öğrenme sürecinde bu sinaptik plastisite temel olarak hipokampusun özel bölgelerinde gerçekleşmektedir[2]. LTM ve bununla ilişkili protein CREB (cyclic adenosine monophosphate (cAMP) responsive element binding protein) ve ayna nöronların varlığı da öğrenmenin nörofizyolojik temelini oluşturmaktadır. Hafızanın en önemli mekanizması olan long-term potentiation (LTP) dediğimiz yani uzun dönemli kuvvetlendirme mekanizması ise öğrenmenin fizyolojik temellerini anlamamıza yardımcı olmaktadır [3].
Uzun Dönemli Güçlendirme (Long-Term Potentiation (LTP))
Sinapsların nöronlarla aktivite kurmasını sağlayan ve nöronlar arası ağlar oluşturan “sinaptik plastisite” denilen mekanizma öğrenmenin ve hafızanın temelini oluşturmaktadır. LTP en çok çalışılan ve bilinen bir sinaptik plastisite mekanizmasıdır fakat birçok formu bulunduğundan tek bir yolla gerçekleşiyor diyememekteyiz. Bu nedenle LTP, sinaptik plastisite mekanizmalarının genelidir. LTP’de en bilinen sinaps türü olarak bilinen nörotransmitterlerden glutamat salımıyla gerçekleşen uyarıcı sinapslar, presinaptik uçlardaki iki ana reseptöre bağlanır. Glutamaterjik presinaptik nöronlardan salınan glutamat postsinaptik nöronlardaki AMPA (a-amino-3-hidroksi-5-metil-4-isoxazolepropionik asit) ve NMDA (N-metil-D-aspartat) reseptörlerine bağlanarak bir zar aktivasyonuna neden olmaktadırlar. Böylece hücre içine Ca+2 akışı gerçekleşmektedir. Postsinaptik nörondaki Ca+2 konsantrasyonu daha sonra postsinaptik membranda AMPA reseptör sayısında artışı sağlayarak sinapsisteki biyokimyasal süreci başlatmış olur. Bu iki reseptör iyonotropik reseptör tipini içermekte iken glutamat ayrıca sinaptik bölgedeki metabotropik reseptörle de etkileşime girmektedir. AMPA kalsiyum iyon kanallarını yönetmektedir. Temel sinaps süreci özetlenen glutamaterjik tipteki mekanizma hipokampal sinapsisteki CA1 ve CA3 bölgelerinde gerçekleşmektedir. Gerçekleşen bu sinaps birçok farklı sonuca neden olabilmektedir. Uyarılma sonucunda sinaps amplifikasyona veya inhibisyona neden olabilir. Yani LTP’nin eksprese olabilmesi veya inhibe olabilmesi için ek özellikler, uyarımlar gereklidir. NMDA reseptörünün aktive olup Ca+2 akışıyla süreci başlatması ve bunun sonucunda LTP’nin indüklenmesi için postsinaptik ve presinaptik aksiyon potansiyelinin uygun olması gerekmektedir. Örneğin postsinaptik nöron depolarize olmalı böylece sinaptik transmisyon sinyal artırıcı yönde çalışabilmelidir. Ayrıca LTP teta sinyaliyle (100Hz/1s) indüklenmektedir. LTP’nin aktive olmasıyla daha dayanıklı ve daha uzun süreli öğrenme mümkün olmaktadır. LTP sinyal kaskatının oluşumunda bazı kilit kalsiyum-bağımlı enzimler de çalışmaktadır. Bu enzimler bir hafıza enzimleri olarak adlandırabileceğimiz CaMKII ve CaMKIV, protein kinaz tip C zeta ve protein kinaz A (PKA)’dır. CaMKII LTP’nin güçlendirmesini sağlamakta ve AMPA reseptörlerinin glutamata olan duyarlılığını arttırmaktadır. Uzun evre LTP’de ise cMAP – PKA- CREB proteinleri ve PKM zeta LTP’nin korunması yönünde çalışmaktadır [4,5,6].
LTP anlaşılması çok zor ve tüm beyni etkileyen özel bir mekanizmadır. Burada süreci olabildiğince özet bir şekilde anlatmış bulunmaktayız. Fakat gerçek mekanizmada ismini yazamayacağımız kadar fazla protein, gen ismi bulunmaktadır. Son zamanlarda yapılan çalışmalar da gösteriyor ki LTP sadece öğrenmede değil madde bağımlılığı, kronik ağrı gibi süreçlerde de kilit rol oynamaktadır.
Ayna Nöronlar (Mirror Neurons) ve Öğrenme
Ayna nöronlar ilk olarak 1990’ların başında makak maymunların F5 bölgesindeki premotor korteksinde bulunmuştur. Deney sırasında maymunların hareketleri taklit etmeleri sağlanmış ve hareket sırasında aktif nöronların takibi sağlanmıştır. Bu deneyde öne çıkan nöronların önemi daha sonraki yıllarda artmış ve ayna nöron ismini almıştır. Bu nöronlar dil gibi becerilerin kazanılmasında, empati duygusu gibi sosyal becerilerde ve öğrenmede önemli bir rol üstlenmiştir. Başka şive veya dilde konuşan insanlarla uzun zaman geçirdiğimizde onlar gibi konuşmamız, küçük çocukların büyüklerinden veya televizyonlardan gördüğü şeyleri taklit etmesi, en çok vakit geçirdiğimiz 5 kişinin ortalaması olmamız, birbirimizi anlamamız hatta sürü psikolojisi bile bu nöronlar sayesinde gerçekleşmektedir[7,3].
Öğrenme eylemi yaşadığımız her andaki görsel, işitsel, duygusal, mekânsal, dokunsal, konumsal bilgilerin tamamının beyin tarafından son derece karmaşık nörokimyasal süreçlerle işlenmesiyle gerçekleşmektedir. Öğrenme bellek yani hafıza olarak bildiğimiz bilginin beyinde ne kadar süre depolanıyor sorusuyla da gerçekleşir diyebiliriz. Hafıza merkezi diye bir beyin bölgesi olmamakla beraber hipokampal bölge LTP mekanizmasıyla, kısa süreli hafızanın uzun süreli hafızaya dönüşümünde rol oynamaktadır. Nöronlar arasındaki her bağlantı ve bilgiler arasındaki kurulan her ilişki LTP ve diğer mekanizmalar sayesinde gerçekleşmekte ve böylece uzun süreli hafıza oluşmakta. Hepimizin bildiği üzere öğrenme sürecinde tekrar durumu ve sayısı çok önemlidir. Her tekrarda bağlantılar kuvvetlenmekte ve ilişkiler anlamlandırılmaktadır. Böylece öğrenme sürecini öğrenmiş olmaktayız. Balık hafızalı birinden fil hafızalı biri olmak veya öğrendiğimiz bilgilerin kalıcılığını arttırmak hipokampal sinaptik plastisitedeki LTP mekanizmaları sayesinde mümkün kılınmıştır.
Referanslar
1. Cowan, N. (2008). "Chapter 20 What are the differences between long-term, short-term, and working memory?". Progress in Brain Research. Elsevier. 323–338. doi.org/10.1016/S0079-6123(07)00020-9
2. Waddell, S. Sjöström, P.J. (2019). "Editorial overview: Neurobiology of learning and plasticity". Curr Opin Neurobiol. 54:iii–vi. doi.org/10.1016/j.conb.2019.01.018
3. Collins, J.W. (2007). "The neuroscience of learning". J Neurosci Nurs. 39(5):305–10.
4. Bin Ibrahim, M.Z. Benoy, A. Sajikumar, S. (2022). "Long-term plasticity in the hippocampus: maintaining within and ‘tagging’ between synapses". FEBS J. 289(8):2176–201. doi:10.1111/febs.16065
5. Lynch,M.A. (2004). " Long-Term Potentiation and Memory" Physiol Rev. 84: 87–136.10.1152. DOİ: 10.1152/physrev.00014.2003
6. Baltacı,S.B. Bakırcı, Ç. (2019). "Belleğin en yoğun çalışılan hücresel mekanizması: Uzun Dönem Kuvvetlendirme(Long-Term Potentiaion (LTP))".Evrim Ağacı.
7. Rizzolatti, G. Craighero, L. (2004). "The mirror-neuron system". Annu Rev Neurosci. 2004;27:169–92. doi: 10.1146/annurev.neuro.27.070203.144230