Özgün Adı: Fugue of Life: Why Complexity Matters in Neuroscience
Joel Frohlich Kaliforniya Üniversitesi, Los Angeles’ta, Martin Monti’nin laboratuvarında bilinç üzerine çalışan bir doktora sonrası araştırmacısıdır. Aynı zamanda Knowing Neurons’ta bir içerik ürecitisidir.
İnsanlar sadeliği sever. Zaman ilerledikçe kurumsal markalar giderek minimalist bir hal alıyor, pop şarkılar her zamankinden daha basit melodiler kullanıyor ve görsel sanatlar daha basit sanat yapıtlarına kucak açıyor: Monet yerini Picasso’ya ve Picasso da Rothko’ya bırakıyor. Çağın düşüncesini, ruhunu yansıtan “Derinlik basitlikte gizlidir” ifadesi, insan vücuduna dair algımızı ilginç biçimlerde şekillendiriyor. Kalp atışı sesi örneğin, doğanın basit ve zarif bir ritmi olarak bize haz verirken; belli bir düzeyi aşan basitlik, kalp yetmezliğinin bir göstergesi olarak içimize korku salabiliyor.
Fazla basitliğin sorun olduğu tek yer kalptir belki de, diye düşünüyor olabilirsiniz. Fakat bunu destekleyen başka örnekler de verebiliriz. Nörolojiye baktığımızda, sağlıklı olan bir beynin karmaşık elektriksel örüntülere sahip olduğu görülürken; epilepsi nöbeti geçiren bireylerin beyninde oldukça düzenli elektriksel aktivite gözlemlenir. Psikiyatride ise yeni araştırmalar, otizmli bireylerin sağlıklı bireylere kıyasla oldukça düzenli konuşma kalıplarına sahip olduğunu göstermiştir.
Hayat karmaşıktır, ancak karmaşıklık neden sağlıklıdır? Ve düzen neden beyinde bir hastalığa işaret eder?
İlk olarak 1987’de New York’taki Brookhaven Ulusal Laboratuvarı’ndan Per Bak, Chao Tang ve Kurt Wiesenfeld tarafından tanımlanan kendi kendini organize eden kritiklik (KKOK, Self-organized criticality) adlı bir kavram, açıklamaya yardımcı olur. KKOK teorisini anlamak için sahilde bir kum yığını tepesi hayal edin. Eğer kum yığınına eğimi daha fazla kumu destekleyemeyecek dikliğe gelene kadar kum eklersek, irili ufaklı, farklı büyüklüklerde çığlar meydana gelir.Bu çığlar, bir enerji oluşturan yavaş bir sürecin (kum eklemek) ve bu enerjiyi parçalayan hızlı bir sürecin (sürtünme kuvvetinin üstesinden gelen yerçekimi kuvveti) sonunda meydana gelir. Kum yığını tepesinin değişkenliğindeki bu karmaşık durum kritiklik olarak tanımlanır. Karmaşık beyin aktivitesinde olduğu gibi, çığlar tüm uzaysal ve mekansal ölçeklerde mevcuttur ve sadece sistemin kurucu parçaları incelenerek anlaşılamaz.
Kum yığınında olduğu gibi, beyinde de kritik bir nokta vardır. Ancak kum yığınında oluşan çığlar hiçbir şekilde anlamlı bir bilgi işleme yapmazken, –2003 yılında ABD Ulusal Akıl Sağlığı Enstitüsü’nde araştırmacılar tarafından karmaşık beyin aktivitesi kademeleri olarak tanımlanan– nöral çığlar birçok bilişsel durum ve motor işleyiş arasında hızla geçiş yapan bir beyin için hayati öneme sahip olabilir. Başka bir deyişle, beyin gibi canlı bir sistemde KKOK bir rahatsızlık değil, daha çok hızlı hesaplamalar için gerekli bir mekanizmadır. Tıpkı kendi kendini organize etme davranışıyla finansal piyasaların değerini hızla ‘belirleyen’ veya seçmenlerin hızla politik partiler arasında geçiş yapmasını sağlayan bir mekanizma gibi. Beyin için bu kritiklik durumunun –ve dolayısıyla karmaşık davranışın– kaybı patolojik bir durumdur.
O halde, elektriksel beyin aktivitesinde gözlemlenen karmaşıklığın, hastalık riskini görme veya tanı koymada yararlı bir biyobelirteci (biomarker) işlevi görebilmesi şaşırtıcı değildir. Fakat şu noktaya dikkat çekmek de fayda var: oldukça karmaşık ve hiçbir düzene sahip olmayan beyin sinyalleri sağlıklılık demek değildir. Karmaşıklık –daha açık bir ifadeyle– düzen ve düzensizlik veya durağanlık (stability) ve değişim (instability) durumları gibi karşıt eğilimler arasındaki dengedir. Dünyanın dört bir yanından önde gelen kurumlardaki araştırmacılar, karmaşıklığı ölçen matematiksel araçları kullanarak kafa derisinden girişimsel-olmayan (non-invasive) bir yöntemle kaydedilen EEG sinyallerinde –otizm ve şizofreni dahil olmak üzere– psikiyatrik bozuklukların potansiyel biyobelirteçlerini belirlediler. Örneğin William Bosl ve Boston Çocuk Hastanesi ve Boston Üniversitesi’ndeki diğer meslektaşları umut verici bir çalışmada, EEG sinyallerindeki karmaşıklığı kullanarak otizm geliştirme riski olan bebekleri saptadılar.
KKOK, karmaşık davranışları açıklamak için çok soyut bir mekanizma iken, beyin ağlarının fiziksel mimarisinde nöral karmaşıklık için daha somut bir açıklama bulunabilir. Anatomik beyin bölgelerini anatomik ağlarla birbirine bağlanmış Facebook arkadaşları olarak hayal edin. Sosyal ağlarda olduğu gibi, bölgelerin (veya Facebook profillerinin) yüzde 20’si bağlantıların yüzde 80’ini oluşturur. Sosyal ağlar gibi beyin bölgeleri de yoğun biçimde birbirine bağlı –daha büyük bir ağın içine gömülü mini ağlar– “gruplar” oluşturur. Bu gruplar genellikle modülerlik olarak bilinen daha büyük grupların bir parçasıdır. Facebook’ta en yakın arkadaşlarınız daha büyük, daha geniş bir arkadaş grubunun hatta bu grup da bir kasaba veya üniversite gibi daha da büyük bir topluluğun bir parçası olabilir. Hem sosyal ağlarda hem de beyinlerde parçalar arasındaki karmaşık etkileşim tüm ölçeklerde fenomenler meydana getirir. Hem beyinler hem de sosyal ağlar bir şekilde bir karınca kolonisine benzer: Organize etkinlikler mekansal ölçeklerde gerçekleşir ve koloniyi bir bütün olarak kavramak için tek bir karınca üzerinde çalışamazsınız.
Aslında, tüm beyin organizasyonu ve aktivitesi ölçeklerinde, ölçeksiz dağıtım bol miktarda bulunur. Kafa derisinden ve korteksten elektriksel aktivite kayıtları, sanki ortalama bir frekans yokmuş gibi dalgalanır. Ölçeksiz dağılım, nöral ateşleme (neural spiking) –iyon kanallarının açılıp kapanması ve sinapsta nörotransmiter salınımı– ölçümlerinde gözlenmiştir.
Hangi mekanizmaların nöral karmaşıklığa ve sağlıklı davranışa yol açtığı net olmasa da, karmaşıklığı incelemek epilepsi, otizm ve şizofreni gibi beyin bozukluklarını anlamak ve tanılamak için önemlidir. Beyin aktivitesinin karmaşıklığının ölçülmesi, doktorların yakında hangi bebeklerin otizm geliştireceğini ve şizofreni hastalarının ilaçlara nasıl yanıt vereceğini tahmin etmesine olanak sağlayabilir. Fizikçi Emerson Pugh’un dediği gibi: “Beyinlerimiz onları anlayacak kadar basit olsaydı, o kadar basit olurduk ki anlayamazdık.”
