duysal deneyim VE sinaptik bağlantıların "İNCE ayarı"
· "Perception ": Algılama
ð Birçok duysal sinyalin beyinde yarattığı bir imge
ð Sinir hücreleri arasındaki on binlerce sinaptik bağlantı sayesinde ortaya çıkar
ð Bu bağlantılar moleküler sinyaller sayesinde aksonların doğru hedefe yönlendirilmesi sonucu ortaya çıkar (Bölüm 54 ve 55)
· Bu bağlantıların genetik kodlama ile oluşan kısmı aktivite ve deneyimden bağımsız olarak şekillenir
· Ancak, bu şekilde ortaya çıkan bağlantılar, tam işlev için yeterli değildir:
ð "Activity-dependent fine-tuning ": Sinaptik bağlantıların aktiviteye bağlı ince ayarı
Ø Gelişim dönemi ile sınırlı değil ® Gelişmiş beyinde süregelen öğrenme: Sinaptik bağlantı ve nöral devrelerin modifikasyonu
· Memeli retinal gangliyon nöronlarının aksonları önce LGN'daki hedef hücrelere, buradan çıkan sinyaller ise görme korteksinin çeşitli tabakalarına yönlendirilir
· Ancak, bu görsel devreler daha sonra organizma ile çevre arasındaki ilişkilerden yararlanılarak rafine edilmelidir
· Bu rafine işlemi erişkin dönemden daha çok erken post-natal dönemde gerçekleşir
· 1930'larda bu tür hastaların cerrahi yöntemle tedavi edilebileceği anlaşıldı
· 10 ila 20 yaş arasında opere edilen hastalarda şekil ve yapıların görsel algılanmasında kalıcı bozukluk bulundu!
· Benzer sonuç, doğuştan itibaren 3-6 ay karanlıkta bırakılan maymunlarda da gözlendi; normal maymunların bir kare ile daireyi ayırt etmeyi öğrenme süresi bir kaç gün iken, karanlıkta kalan maymunlarda süre haftalar-aylara uzadı
· Sonuç: Konjenital katarakt hastaları bebeklik döneminde ameliyat edilmeye başlandı!
· Görme korteksinin 4C tabakasındaki hücreler yalnızca tek gözden gelen uyaranlara yanıt verir ® Bu hücreler daha sonra daha alt ve üst tabakalardaki hücrelere uyarı gönderir ® 4C tabakasının dışında diğer tabakalarda bulunan nöronlar, çok azı hariç, her iki gözden gelen uyarılara cevap verir
Fig 56-1
· Hubel ve Wiesel'in araştırması:
ð Bir maymunun tek gözünü doğum anından itibaren 6 ay boyunca sütüre ettiler
ð 6 ay sonra kapalı göz açıldığında bu gözde körlük olduğu anlaşıldı
Ø Retinal gangliyon hücreleri ve LGN'deki hücreler uyarılara yanıt verdi
Ø Görme korteksindeki hücrelerin çok büyük çoğunluğu yanıtsız kalırken, aktivite gösteren bir kaç hücre görme için yeterli olmadı
Ø Bu gözdeki körlük: Kortikal ve ger dönüşsüz
· Sonuç: Görme korteksi nöronları normal yapılarını kazanabilmek için duysal uyaranlara gereksinim duyar
|
Fig 56-2 |
Şekil 56-2 açıklaması: 17. Alandaki nöronların normal ve tek gözü kapatılmış maymunlardaki yanıtları. A- Pembe ve mavi renkli kutular her iki gözün reseptif alanlarını, F ise foveayı temsil etmektedir. Sarı renkli diagonal ışık çubuğu her iki gözün reseptif alanları boyunca sağdan sola doğru hareket ettirilir. Bu iki gözden gelen uyarılar 17. alandaki tek bir nöronda toplanmaktadır. Bu kortikal nörondan yapılan kayıtlar, ışık çubuğunun önünde bulunduğu gözün aynı tarafındaki (ipsilateral) kortekste daha çok aktivite olduğunu göstermektedir. B- 17. alandaki tek tek kortikal nöronlardan yapılan kayıtların değerlendirilmesi. C: contralateral , I: ipsilateral . Kategori 1; sadece karşı taraftaki gözden, kategori 7 ise sadece aynı taraftaki gözden gelen uyarılarla oluşan aktivite. Örneğin A'da gösterilen nöron aktivitesi kategori 6'ya uygundur. C- Sadece tek gözden uyarı alan 4C tabakasında bulunan nöronlar hariç tutulduktan sonra, 17. alandaki 1000 nörondan yapılan kayıtlar. Kırmızı sağ gözü, mavi sol gözü temsil etmektedir. 1. Normal maymunda 17. alanda 1000 nöron içinde yanıt veren nöron sayısı 2. Doğuştan tek gözü kapalı kalan maymunda aynı bölgede yapılan kayıt |
· Hubel ve Wiesel'in diğer şaşırtıcı bulguları:
ð Tek gözün kapatıldığı durumlarda, sadece bu gözden uyarı alan kortikal nöronlar aktif kalırken, iki gözün (binokuler) kapatılmasından sonra her iki gözden uyarı alan kortikal nöronlar da aktif kalabilir
Ø Uygun sinaptik bağlantıların oluşması için sadece aktivasyon değil, aynı zamanda uyaranların dengesi de önemlidir
ð İlk 6 ay içindeki herhangi bir zamanda gözlerden birinin bir hafta gibi kısa bir süre bile kapatılması görmenin tamamen kaybı ile sonuçlanırken, erişkin dönemlerde daha uzun dönemli göz kapaması bile kortikal cevapta çok az değişikliğe neden olur
Ø Kritik dönem konsepti: Görsel uyaranlar için sinaptik bağlantıların oluştuğu dönem
· Gözlerden biri geçici olarak kapatılınca, görme korteksindeki hücreler neden yanıtsız kalır? Bu fonksiyonel eksiklik, yapısal bir değişikliklere mi bağlıdır?
· Hubel ve Wiesel çalışması:
ð Yenidoğan maymunlarda tek göz kapatıldı
ð Normal göze işaretli bir amino asit enjekte edildi
ð İşaretli amino asit retinal ganglion hücrelerindeki proteinlerin yapısına katılarak görme korteksinin 4C tabakasına kadar ulaştı
|
Fig 56-3 |
Fig 56-3 A. Her iki gözü de açık maymunun sağ gözüne işaretli amino asit enjekte edildikten 10 gün sonra sağ serebral korteksin 17. alanından alınan tanjensiyal kesit. Beyaz şeritler şeklinde görülen bölgeler işaretlenmiş (sağ gözden gelen) alanlardır. Koyu renkli şeritler ise işaretleme yapılmayan (sol) gözden gelen uyarıların alındığı bölgeleri gösterir. Koyu ve açık renkli şeritlerin (iki gözden gelen uyarıların ulaştığı alanların) kalınlıkları eşittir. B. Sağ gözü 2 haftalık iken kapatılmış olan 18 aylık maymunun sol gözüne işaretli amino asit enjekte edilmiştir. Beyaz şeritler enjeksiyon yapılan sol gözden uyarı alan bölgeleri, koyu renkli şeritler ise kapalı olan sağ gözden uyarı alan bölgeleri göstermektedir. C. Sağ gözü 2 haftalık iken kapatılmış olan 18 aylık maymunun kapalı olan sağ gözüne işaretli amino asit enjekte edilmiştir. Açık renk kapalı gözü, koyu renk açık gözü temsil etmektedir. D. 17. alandaki okuler dominans kolonlarının rekonstruktif çizimi |
· Sonuç: Hayatın erken dönemlerinde duysal uyaranların engellenmesi serbral kortekste yapısal değişikliklere neden olabilir
Soru: Bu kolonlar doğum sırasında var mıdır? Daha sonra mı oluşur?
|
Fig 56-4 |
Fig 56-4 Kedide göze işaretli amino asit enjekte edilen gözün aynı tarafındaki görme korteksinin postnatal gelişimi (horizontal kesitlerde). Doğumdan 2 hafta sonra işaretli amino asit 4. tabakada yaygın olarak dağılmıştır. 3. ve 5,5. haftalarda diğer gözden gelen uyaranların kortekse ulaşmaya başladığı gözlenir. 13. haftada iki gözden gelen uyarıları alan bölgeler belirginleşir. |
· Sonuç: Doğumdan sonraki 6 hafta içinde görme korteksi sadece ipsilateral taraftan uyaranlar alır, bundan sonraki dönemde kontralateral taraftaki gözden gelen uyarılar ile okuler dominans kolonları şekillenir
ð Bu süre içinde duysal uyaranın kesintiye uğraması kolonların açık göz lehine şekillenmesine neden olur
|
Fig 56-5 |
Figure 56-5 4C tabakasında oküler dominans kolonlarının oluşumunda gözün kapatılmasının etkileri Sol taraf: Normal durum Sağ taraf: Doğumda, 2., 3. ve 6. haftalarda gözün kapatılmasının etkileri. Göz ne kadar erken kapatılırsa kolonlardaki asimetri o kadar kuvvetli olmaktadır. Alt taraf: LGN'da yapısal olarak değişiklik olmaz, kortekste ise farklılık meydana gelir. Açık göz tarafından gelen lifler dallanma yapabilir. |
· Öcelikle her lif görme korteksi üzerinde bir kaç dal verir, bu dallar daha sonra oluşacak oküler dominans kolonları boyunca uzanır
· Talamik nöron olgunlaştıkça dalların bir kısmı geri çekilir, bir kısmı uzamaya devam eder
· Zaman içinde LGN'dan uzanan nöron bir kortikal hücre grubu ile kusursuz bağlantı sağlar
Fig56-6
· Her iki optik sinirin yeni doğan döneminde deneysel olarak tamamen senkronize biçimde uyarılması oküler dominans kolonlarının oluşumunda bozukluğa neden olur
· İki optik sinir asenktronize biçimde uyarılırsa, oküler dominans kolonları normal biçimde şekillenir
· Sonuç: Oküler dominans kolonlarının oluşumu ve fonksiyona devam etmesi ve normal binoküler görmenin sağlanması için afferent yollardaki genel uyarılma da yeterli değildir, her bir gözden gelen yolların kendine özgü şablonlarla uyarılması gereklidir
-------------------
· Oküler dominans kolonları iki gözden gelen uyarıları taşıyan liflerin oranına göre şekillenir
· Normal şartlarda her iki gözden gelen uyarıları taşıyan lifler hem işbirliği (cooperation ), hem de yarışma (competition ) içinde oküler dominans kolonlarını şekillendirir
· Gözlerden birinin kritik dönemde kapatılması, kolonlarda açık göz lehine dengesizliğe neden olur
· Kapalı gözden gelen uyarıları taşıyan lifler gerilerken, diğer gelen lifler dallanarak yeni sinaptik bağlantılar da yapar
Martha Constantine-Paton ve Thomas Reh'in deney düzeneği:
· Kubağada bir gözden gelen uyarılar sadece kontralateral optik tektuma ulaşır ® Her iki gözden gelen uyarıları taşıyan aksonlar arasında bir yarışma yoktur
· Araştırmacılar erken larva döneminde, normal gözlerden birinin yakınına üçüncü bir göz implante ettiler!
· Üçüncü göz ile yakınındaki normal gözden gelen uyarıları taşıyan lifler arasında yarışma başladı
· Yarışmaya giren normal göze radyoaktif işaretli amino asit enjeksiyonundan sonra optik tektumda oküler dominans kolonları meydana geldi
Fig56-7
· Sonuç: Oküler dominans kolonları kompetisyon sonucu oluşur!
· Retinal gangliyon hücreleri optik tektum nöronları ile yaptıkları sinapslarda glutamat salgılar ® Post sinaptik bölgedeki hem NMDA, hem de non-NMDA glutamat reseptörlerini uyarır
· İstirahat koşullarında NMDA tipi glutamat reseptörleri Mg2+ tarafından bloke edilir ® Uyarı sonucu depolarizasyon ile Mg2+ iyon kanalından dışarı atılır ® NMDA reseptörünün kanalı açılır ® Kanal açıldıktan sonra Ca2+ hücreye girerek Ca2+ bağımlı ikinci haberci sistemlerini harekete geçirir
· NMDA tipi reseptörlerin harekete geçirdiği bu hücre içi sistemlerin sinaptik bağlandıyı stabilize ettiği düşünülmektedir
NMDA tipi glutamat reseptörleri antagonistleri tarafından bloke edilirse, üç gözlü kurbağanın oküler dominans kolonları etkilenir mi?
|
Fig 56-8 |
Fig 56-8 A. Üç gözlü kurbağanın optik tektum bölgesinde oküler dominans kolonları B. NMDA reseptör aktivitesinin MK801 ile blokajı C. NMDA uygulaması ile reseptörünün aktive edilmesi ve oküler dominansın keskinleşmesi |
· Sonuç:
1- Oküler dominans kolonlarının oluşumunda (işbirliği ve yarışmanın dengeli gelişiminde) NMDA tipi glutamat reseptörleri önemli role sahiptir
2- Memelilerde de glutamat ve NMDA reseptörleri bulunduğuna göre; aşağı sınıf vertebralılarda da, memelilerde de benzer "ince ayar" mekanizmaları kullanılmaktadır
· 1940'lar Donald Hebb:
ð "Pre ve post sinaptik elemanların eşzamanlı aktif olması sinapsı güçlendirir"
ð Hebb'in bu fikri nöronlarda işbirliği ve yarışma kavramının modellenmesinde öncülük etti
· Korteksteki organizasyona benzer şekilde, LGN'daki nöronlar da her iki gözden gelen uyarılarla sağ ve sol göz için farklı olarak düzenlenir
· Ancak, kortekstekinin tersine, bu organizasyon doğum öncesinde tamamlanır
|
Fig 56-9 |
|
Fig 56-9 Sağ kısım: Erken embriyonik dönemde her iki gözden gelen lifler dağınık durumdadır Orta kısım: Daha sonraki dönemlerde sağ ve sol gözden gelen uyaranlar ayrı ayrı organize olur Sağ kısım: Ferret (yaban gelinciği) gibi bazı memelilerde daha sonraları her iki gözden gelen uyaranlar ayrıldıktan sonra ayrıca kapalı/açık hücreleri için de ayrı ayrı organize olurlar |
Soru: Doğum öncesi gözlerde herhangi bir aktivite yokken, LGN'daki sağ ve sol taraf için ayrı organizasyon nasıl gelişir?
· Retinal ganglion hücreleri doğum öncesinde bir kaç saniyelik patlamalar şekline ortaya çıkan spontan aktiviteye sahiptir
· Bu aktivite birbirine komşu retinal gangliyon hücre kümelerinin (cluster) eşzamanlı spontan uyarıları ile oluşur
|
Fig 56-10 |
Fig 56-10 Lokal Ca2+ düzeylerinin saptnaması yöntemiyle ferret retinasında doğum öncesi spontan aktivitenin gösterilmesi. Renkli alanlar aktivite gösteren retinal alanları temsil etmektedir. |
Soru: Retinal gangliyon kümelerinden gelen eşzamanlı spontan uyarılar, LGN'da uygun sinaptik bağlantıların oluşmasını nasıl sağlar?
· Daha önce söz edildiği gibi postsinaptik nörondaki NMDA reseptörlerinin uyarılması bu nöronda elektriksel ve kimyasal sinyaller oluşturur
· Bir hipotez: Bu sinyaller, postsinaptik nörondan nörotrofinlerin salgılanmasına neden olarak hem nöronun hem de sinaptik bağlantıların canlılığını sağlar
|
Fig 56-11 |
Fig 56-11 Nörotrofinlerden NGF ve NT32'in intraserebroventriküler uygulaması oküler dominans kolonlarının oluşumunda herhangi bir etki oluşturmazken, trkB reseptörlerine bağlanan NT4 ve BDNF (Brain Derived Neurotrophic Factor) oküler dominans kolonları oluşumunu bozar. |
· Sonuç: Nörotrofinler hem hücrelerin canlılığını sürdürmesinde, hem de uygun sinaptik bağlantılar yapmasında rol oynar
· Bir gözden gelen uyaranların belli bir kortikal alana ulaşması, neden o alanda o gözün temsil edilmesine yol açar?
· Hipotetik bir açıklama:
ð Bir gözden gelen uyaranlar eşzamanlı olarak daha fazla ise NMDA reseptörleri üzerinde daha büyük depolarizasyona, bu da daha fazla nörotrofik faktör etkisine neden olur
ð Daha fazla nörotrofik faktör etkisi ile karşı karşıya kalan nöron grubu, sinaptik bağlantılarını aktif tutarak canlılığını sürdürür
Fig56-12
· Oküler dominans kolonları dışında, görsel uyaranın oryantasyonunu belirleyen özelleşmiş nöron grupları
· Gözler açılmadan (doğumdan önce) oluşurlar
ð Oluşurken görsel uyaranlara gereksinim duymazlar
· Kedide doğumdan sonra değişik dönemlerde tek gözün kapatılması oryantasyon kolonlarının topografisinde değişikliğe neden olmaz
· Bununla birlikte, doğumdan sonraki dönemde görmenin tamamen engellenmesi bu kolonların gerilemesine neden olur
· Sonuç: Oryantasyon kolonları, oküler dominans olonlarının aksine, uyaran olmaksızın oluşabilir ancak, varlığını sürdürebilmek için görsel uyaranlara gereksinim duyar
· Daha önce söz edildiği gibi, moleküler ipuçları sayesinde aksonlar yönlendirilerek önce retinadan LGN'a, oradan da görme korteksine gerekli "kablolama" işlemi gerçekleşir
· Her iki gözden gelen uyaranları taşıyan lifler öncelikle kabaca kortikal alanlar üzerinde dağılır
· Bu yapı, iki gözün uygun biçimde haritalanması için (oküler dominans kolonları) yeterli değildir
· Daha sonra aktivitesi daha fazla olan nöron grubu sinaptik canlılığını sürdürürken, diğer grup geriler
· Bu şekilde o bölge, o göz için "ayarlanmış" olur
· Bu tür bir ayar, görme korteksine özgü değildir ve santral sinir sisteminin genel bir özelliğidir
ð Örneğin, işitme korteksinde de hem sesin özelliklerini, hem de hangi kulaktan geldiğini belirleyen benzer şablonlar vardır
· Binoküler (stereoskopik) görüş: Objelerin şekil ve boyutunu algılamak için önemli
ð Ancak oküler dominans kolonlarını gelişimi ile sağlanabilir
ð Oküler dominans kolonlarının gelişimi için kritik bir dönem vardır
ð Bu dönemde yaşanan duysal deneyimler bu yapıların uygun şekilde gelişmesini sağlar
· Sosyal davranış için de duysal uyaranlar ve deneyimlerin değerlendirilerek normal gelişimin sağlanabileceği bir kritik dönem vardır
· 1940'lar Renė Spitz'in çalışması
ð Spitz, bir yetiştirme yurdunda büyüyen bebekler ile bir kadın cezaevinde mahkum bebeklerine ait bölümünde büyüyen çocukları karşılaştırdı
ð Her iki ortam da temzilik, sağlık ve beslenme koşullar açısından benzerdi
ð Cezaevi ortamındaki bebekler ailelerinden uzak olmalarına rağmen, günün belli zamanlarında anneleri ile birlikte olma şansına sahipti, buna karşın, yetiştirme yurdundaki bebekler ise sürekli olarak hemşire ya da bakıcılarla birlikte olmalarına rağmen, bu bakıcıların aynı anda ilgilenmek zorunda oldukları çok fazla sayıda bebek vardı
ð Bir başka farklılık; Cezaevindeki bebekler için ortamda herhangi bir kıstlama yoktu ve diğer bebekleri, onların anneleri ile ilişkilerini izleyebilme olanağı vardı, buna karşın, yetiştirme yurdunda üzerlerine çarşaflar örtülmüş parmaklıklar ile bebekler izole edilmiş durumdaydı
ð İlk dört ayın sonundaki testlerde yetiştirme yurdundaki bebeklerin daha iyi gelişim gösterdiği saptandı
ð Ancak, bir yılın sonunda, cezaevindeki bebekler motor ve intellektüel performans olarak yetiştirme yurdu bebeklerinin farklı olarak önüne geçti
ð Yetiştirme yurdu çocukları Spitz'in hospitalism olarak adlandırdığı (anaclitic depression ) belirtiler gösterdi, daha çekinik, cesaretsiz ve neşesiz bir karakter gösterirken, aynı zamanda enfeksiyonlara da daha yatkın oldular
ð Bebeklerden ikinci ve üçüncü yılda normal ev yaşantısına geçenlerin değerlendirmesinde yetiştirme yurdunda olanların diğerlerine göre daha geç yürüdüğü ve geç konuştuğu görüldü
· Benzer bir çalışma: 1960’larda Harry ve Margaret Harlow tarafından maymunlarda izolasyon çalışması
ð Yaşamın ilk 18 ayı içinde 6 aylık bir sosyal izolasyon yapıldı
ð İzole edilen hayvanlar daha sonra otistik çocuklara benzer davranışlar sergilediler
Sonuç: Yaşamın ilk döneminde alınan girdiler ve deneyimler duysal ve davranışsal gelişim açısından çok önemli!