TC

GAZİ ÜNİVERSİTESİ GAZİ EĞİTİM FAKÜLTESİ

ORTA ÖĞRETİM FEN VE MATEMEATİK ALANLARI EĞİTİMİ BÖLÜMÜ FİZİK EĞİTİMİ ANABİLİM DALI

NÖROKUANTOLOJİ(KUANTUMBEYİN)

DANIŞMAN : Yrd. Doc. Dr. MUSTAFA KARADAĞ

HAZIRLAYAN:AYDAN ERÇEK -050557016-

ANKARA 2008

İÇERİK

BİLİM

-Bilim Nedir?

-Bilimin Temel Kaynağı

-Sözde Bilim, Ön bilim

-Bilimsel Yöntem

-Bilimde Teori ve Kanun

BEYİN

-Beynin Yapısı

-Beyin Kabuğu

- Beyin Kabuğunun Fizyolojik Anatomisi

-Sinir Sistemi,Sinirsel İletim ve Nöronlar

*Nöron Yapısı ve Özellikleri

*Nöron Çeşitleri

* İmpulsun Oluşumu ve İletimi

*Sinaps ve İmpulsun Sinaptan Geçişi

KUANTUM MEKANİĞİ

KUANTUM MEKANİĞİNDEKİ ÖLÇME,GÖZLEMCİ SORUNU

NÖROKUANTOLOJİ(KUANTUM BEYİN)

-Gelişim

- Neden Kuantum Mekaniği Beyin Yapısını Açıklamak İçin Gereklidir

-Kuantum Gözlemci Sorununun Nörokuantolojisi

-Nörokuantolojide Yeni Bilimsel Yaklaşımlar

* Eccles’ın Dendron ve Psikonlarında Kuantum Tünelleme 

* Walker’in Kuantum Sinaptik Tünellemesi

* Penrose ve Hameroff’un Kuantum Nesnel İndirgemesi(OrchOR)

* Umezawa’nın Kuantum Alan Teorisi

* Hu ve Wu’nun Spin Aracılı Kuantum Bilinç Teorisi

BİLİM

BİLİM NEDİR?

Bilim veya ilim, neden, merak ve amaç besleyen bir olgu olarak günümüze kadar birçok alt dala bölünmüş, insanların daha iyi hayat şartlarına kavuşmasına, var olmayan olguları bulmasına ve yeni şeyler öğrenmesine ön ayak olan genellemedir. Bilim sanat tarafından temelleri atılmış olup her aşamada sanat ve yaratıcılıkla beslenerek insanların hayat koşullarını iyileştirmek için yapılan çalışmaların bütünüdür. Bilim, temelde, deneme ve deney ile ispatlanabilen bilgi bütününü anlatır. Bazı bilim adamlarına göre bilim:

“ Her türlü düzenden yoksun duyu verileri ile düzenli düşünceler arasında uygunluk sağlama çabasıdır. (Albert Einstein) „

“ Gözlem ve gözleme dayalı akıl yürütme yoluyla dünyaya ilişkin olguları birbirine bağlayan yasaları bulma çabasıdır. (Bertrand Russell)

„

“ "Evrenin veya olayların bir bölümünü konu olarak seçen, deneye dayanan yöntemler ve gerçeklikten yararlanarak sonuç çıkarmaya çalışan düzenli bilgi, ilim"(Türk Dil Kurumu) „

Diğer bir tanım da, gözlemleme ve planlı deneye, eleştirel yorumlamaya, genellemeye, hipotezlere ve açıklayıcı teorilere götüren tahminlere dayalı karakteristik yönteme bilim denir. Bu nedenle doğa felsefesinden bilime geçiş bir isim değişikliğinden çok daha fazla bir anlam ifade etmektedir. Doğanın yanında toplum, insan ve düşünce üstüne kesin ya da yaklaşık teorik bilgiler üretmeye çalışır. Olgusal, mantıksal, seçici, genelleyici ve değişkendir.

BİLİMİN TEMEL KAYNAĞI

Yüzyıllardır insanoğlunun yeryüzündeki yaşama ortamına duyduğu merak, yaşama standartlarını yükseltecek bir etkinliğe bürünmeye başladı. Olağan gibi görünen olayları anlama çabası, aslında dünyanın gizemlerle dolu bir yer olduğunu ve bunları çözümlemek gerektiği gerçeğini doğurmuştur. Geleneksel bilim sadece anlamaya ve çözmeye gereksinim hissetse de, ileri safhalara bölünen bilim türleri sadece çözmeyi değil çözümden öte ilerlemeyi de kapsar. Geçmişe bakıldığında en önemli sayılan bilim dallarından bazıları matematik, geometri, astronomi ve tıptır. Çok çeşitli matematiksel çözümleme sistemlerinin geliştirildiği ilk zamanlardan bu yana hala yeni formüller, sistemler, teoriler geliştirilmektedir ki bu da bilimin sürekliliğine bir örnektir.

SÖZDE BİLİM, ÖNBİLİM

Sözdebilim veya sahte bilim (İngilizce pseudoscience) bilimsel olarak tanımlanmakla birlikte bilimsel çalışmaların gerektirdiği standartları taşımayan veya yeterli bilimsel araştırma ile desteklenmeyen bilgi, yöntem, inanç ve pratikler bütününe verilen addır.

Yaygın sözdebilimsel teoriler geçerli bilimlerden çok öykü-olgu temelli olmaya eğilim göstermektedirler. Bu iddialar dikkatli bir şekilde kullanılan bir yöntemden çok gerçeğin araştırılmasında yaygın bilimsel yanlış anlamalarla desteklenir.

Bir alan, uygulama veya bilgi

1. Kendisini bilimsel olarak sunduğu ve 2. Bilimsel araştırmanın kabul edilen normlarını karşılamakta ve daha önemlisi

bilimsel metodun kullanılmasında başarısızlık gösterdiğinde sözdebilim olarak adlandırılır.

Sözdebilimi tanımlayan diğer niteliklerden bazıları

Bilimsel iddiasının yanlış veya ilgisiz olma durumunda bile öne sürülmesi Teorinin öngördüğü bir şeyin öngörüsünün gösterilemeyişi Kullanılan veri veya yöntemin araştırılması isteklerine bilginin gizli veya özel

olduğu ile karşı çıkılması Bilim insanları topluluğunun sonuçları açıklamadığı şeklinde komplo öne

sürülmesi Yanlış olduğu ispatlanmayan iddiaların zorunlu olarak doğru olduğu iddiası Uygulanan işlemin tanımını yapmakta başarısızlık İddia edilen sonuçları diğer araştırmacıların da yeniden üretebilmesi için gereken

enformasyonun sağlanmasında başarısızlık Deneysel sonuçların seçmeci kullanımı ve iddiayı desteklemeyen veya onunla

çatışan verilerin göz ardı edilmesi, reddedilmesi, kenara koyulması

Bilim kendi kendini düzelten (self-corrective) bir yapıya sahiptir. Bu sebeple herhangi bir bilimsel yayında yayınlanan bilimsel bir makale, aynı veya benzer alanlardaki bir başka bilim adamı tarafından yine bilimsel temellere dayalı olarak eleştirilebilir. Buna karşı makale yazarı bilim adamının göstereceği tutum bunun, kendisine yönelik kişisel bir saldırı olduğunu düşünmek değil eleştirileri mantık ve deneyler süzgecinde değerlendirerek varsa karşı delilleri ortaya koymak veya bulgularını yeniden gözden geçirmektir. Sözdebilime yönelik eleştirilerden biri sözdebilim taraftarlarının eleştirel düşünceleri kişisel saldırı olarak gördükleri, eleştiri sahibi bilim adamlarını statükonun destekleyicileri, yeni fikirlere düşman veya kendilerine yönelik bir komplo içinde olarak değerlendirdikleri, bilimin kendi bilgilerine nüfuz edebilecek yeterlilikte olabileceğini göz ardı etme eğiliminde oldukları buna karşılık eleştirileri sahiplerinin iddialarını mantıksal veya deneysel bir temelde değerlendirmedikleri yönündedir.

Ön bilim (Protoscience) terimi bilimsel metotla yeterince test edilmemiş ancak mevcut bilimle tutarlı veya tutarsız olduğu durumlarda da bu tutarsızlığına dair akla uygun gerekçeler sunabilen hipotezleri tanımlamakta kullanılır. Terimin bir başka kullanım alanı da pratik bir bilgi alanında bilimsel bilgi alanına geçişi tasvir etmesidir. Sözdebilim ise tersine uygulamada veya prensipte test edilebilir olmayan veya testlerin aksini göstermesine karşın bilimsel olduğu savunulan bilgi tarzları için kullanılır.

Sözdebilim ile önbilim ve gerçek bilim arasında anlamlı sınırların olup olmadığı tartışmalıdır. Özellikle kültürel ve tarihi mesafelerin olduğu durumlarda (örneğin kimya ve simyada arasındaki ilişki) ön bilimler yanlışlıkla sözdebilim olarak yorumlanabilmektedir.

Sözdebilime örnekler

Simya Astroloji Devridaim makinesi Tanımlanamayan Uçan Nesne (UFOLOJİ) Akıllı tasarım (evrenin ve içerisindeki canlıların doğal seçilim ve rastlantısal

mutasyonlar gibi bilinçsiz doğal süreçlerle oluşamayacağını, bu nedenle zeki ve bilinçli bir varlık tarafından tasarlandığını iddia eden bir görüş.)

BİLİMSEL YÖNTEM

Bilimsel yöntem çeşitli yeni bilgi edinmek veya bilinen bazı bilgileri doğrulamak veya düzeltmek amacıyla, çeşitli fenomenleri araştırmak için ve geçmişte kazanılmış, öğrenilmiş bilgileri tamamlamak için kullanılan yöntemlerin bütününe verilen isimdir. Bilimsel yöntem(ler) gözlemlenebilir, deneysel (ampirik) ve ölçülebilir kanıtların belirli bazı mantıksal prensiplerle incelenmesine dayanır. Bilimsel yöntem,

“ 17. yüzyıldan beri doğal bilimleri karakterize etmiş, sistemik gözlem, „

ölçüm ve deney ve formülasyon, test etme ve hipotezlerin değiştirilmesini içeren yargılama metodudur.

Bilimsel yöntem diğer bazı bilgi edinme yöntemlerinden, bilim, deney ve mantık temelli olmasıyla ayrılır. Aynı şekilde bilimsel yöntem ile elde edilen bilginin, tekrar edilebilir deneylerden sonra tekrar ulaşılabilir olması gerekir. Her ne kadar farklı bilim dallarında ve farklı bilgi konularında farklılaşmış, konuya özelleşmiş bilimsel yöntemler kullanılsa da genel bazı noktalar bilimsel yöntemlerin temelini oluşturur. Genellikle bilim adamları, araştırmacılar belirli bir fenomeni açıklamak adına büyük ölçüde ellerindeki bilgileri kullanarak hipotezler öne sürerler; daha sonra bu hipotezleri test etmek için çeşitli deneyler hazırlarlar ve deneylerin sonucuna göre bir hipotezin doğruluğu veya yanlışlığı ortaya çıkar. Bazen bir hipotezin doğruluğu belirli deneyler sonucu kabul edilse de; daha sonra yanlış olduğu farklı deneyler yoluyla da kanıtlanabilir. Bu sebeple her türlü hipotez, sürekli olarak deneylere tabii tutulabilir. Bilimsel yöntem açısından, bilimsel yöntemler sonucu elde edilen bilgilerin paylaşılması ve arşivlenmesi çok önemlidir zira bu bilgiler ışığında aynı veya farklı yöntemlerle ilgili deney ve testlerin tekrar edilmesi, yeniden üretilebilmesi ve yapılabilmesi bilimsel yöntem sonucu oluşacak bilgi açısından kaçınılmaz bir gerekliliktir - deneylerle aynı sonuç tekrar tekrar üretilebildiğinde hipotez kuram(teori) olmaya yaklaşır.

Bilimdeki ilk büyük başarılar tümdengelim yöntemiyle kazanılmıştır. Kesin sonuç veren akıl yürütmeye çıkarım, tümdengelim (dedüksiyon) denir. Bu yönteme göre, doğanın araştırılması önce gözlemlerden genel prensiplerin çıkarılması (tümevarım) ve daha sonra genel prensiplere dayanarak gözlemlerin açıklanması (tümdengelim) aşamalarını içermektedir.

Tümdengelim; tümelden tikeli ve genelden özeli çıkaran uslamlama yöntemidir. Tümdengelim, doğru olan ya da doğru olduğu sanılan önermelerden zorunlu olarak çıkan yeni önermeler türetir. Öncüller doğruysa sonuç da mantıksal bir zorunlulukla doğrudur.

Zihnin kanunlardan, kurallara örneklere, olaylara inerek yeni bir yargıda bulunmasıdır. Tümevarımın tersine, genel ilkelerden özel durumlara inen bir akıl yürütme şeklidir. Burada herhangi bir genelleme (kanun, kural) ele alınır, sonra bundan yola çıkarak özele (olaya, örneğe) inilerek, yeni bir yargıya varılır.

Tümdengelim, bir ya da birden çok öncülden mantık kanunlarına göre, bir sonuçlama (netice) ispatlayış ya da çıkarsayış işlemidir.

Tümdengelimle varılan bir sonuç, bir önermeler zinciridir ki, burada, önermelerin mantık kanunlarıyla doğrudan doğruya çıkarılan bir öncül ya da bir önermedir. Tümdengelimle varılan bir sonuçlamada, neticeler öncüllerde saklıdır, mantıksal analiz metotlarıyla çıkarsamaları icap eder. Tümdengelimin temelinde “bütün için doğru olan, parçaları için de doğrudur” ilkesi yatar.

İkinci bilimsel yöntem ise tümevarımdır. Özel bir önermeden genel bir önermeye gidişi sağlayan düşünce biçimidir. Tümevarım daha çok gözleme ve deneye dayanır.

BİLİMDE TEORİ VE KANUN

Bilgilerimizin kaynağı doğrudan teorilerdir. Bildiğimiz şeyler, mutlak bilgiler değildir. Bilimsel teoriler gözlemlerden çıkarılmaz, ancak gözlemlere anlam vermek için insanlar tarafından icat edilirler. Yeni kavramların oluşturulması indüksiyonla (tümevarım) mümkün değildir. Yani, çok sayıda deney yaparak ulaşılacak ampirik genellemelerle yeni bilimsel kavramların türetilmesi mümkün değildir. Deneysel verilerden teoriye geçiş ancak yaratıcı düşünceyle mümkündür (Feynman, 1995, 204). Einstein gözlediğimiz şeyi belirleyen teoridir derken bu noktaya dikkat çekmektedir. Heisenberg ise gözlediğimiz şeyin doğanın kendisi değil, sorgulama yöntemimize maruz bırakılan doğa, olduğunu unutmamamız gerekir ifadesiyle bunu göstermektedir(Bodner, 1986).

Son iki yüz yıldır doruğuna ulaşan bilimde, yaşadığımız yüzyılda fizik ve biyoloji yasalarından öğrendiğimize göre oluşturulacak yeni teoriler bazı disiplinli özellikler taşımalıdır. Teori olanaklı olduğu sürece gerçekler bağımsız bir şekilde onaylanmalıdır. Eğer varsa, önceki birden fazla teori üzerinde durulmalı ve açıklanacak bir şey varsa, olası tüm açıklamalar ortaya konulmalıdır. Bir teoriye gereğinden fazla bağlanma yerine, bilgiye erişim yollarından biri olarak düşünülmeli ve diğer alternatiflerle adil bir şekilde karşılaştırılmalıdır. Büyüklük, düşüncenin karşıtına da dokunabilmek olduğundan, karşıt düşünceler de gözden geçirilmelidir. Teoriyi reddetmek için nedenler aranmalı ve teori nicelendirilmelidir. Bir teoriyle yeterince uzun zaman aldatılmışsak, aldatmacayı ortaya koyan her türlü kanıtı (fark etmeden) ret edebileceğimizi de akılda tutmalıyız. Teorik sonuçlar bir ölçüye, sayısal değere sahipse bu ortaya konulmalıdır. Böylece diğer teorilerle daha kolay karşılaştırılabilir hale gelir. Eğer teoride savlar zinciri söz konusu ise, zincirin her halkası-bir kısmı ya da birçoğu değil-geçerliliğini kanıtlamak zorundadır. İlke olarak, yanılabilir olup olmadığı sorgulanmalıdır.

Teorinin doğrulanabilirliğine karşı, Karl Popper (1902–1994) yanlışlanabilirlik ilkesini ortaya atmıştır. Yanlışlanabilirlik ölçütü, Popper'in bilim kuramının temelidir. Popper'e göre bilimsel "teori potansiyel olarak yanlışlanabilir" olmalıdır. Popper "teorinin doğruluğu, onun yanlışlanabilirlik özelliğinden kaynaklanır" ve "teorilerimizi yanlışlaşmaya alabildiğince açık bırakabilmek için elimizden geldiği kadar çok anlamlılıktan uzak bir biçimde formülleştirmeliyiz" der. Popper'e göre: "Yeni bir düşüncenin insan zihninde nasıl doğabildiğini bilme sorunu ister bir müzik teması, ister dramatik bir çatışma, ister bilimsel bir kuram söz konusu olsun, deneyci ruhbilim bakımından büyük önem taşıyabilir, ama bilimsel bilginin mantıksal çözümlenmesi anlamına gelmez." Popper'e göre bilimsel bir yöntem, "Bütün sistemleri en zorlu bir yaşama savaşımından geçirerek, sonunda nispeten en elverişli" sistemi seçmek amacıyla, her türlü sınamadan geçirilmesi gereken sistemi yanlışlaşmaya tabi tutmaya dayanır. Buna göre kuramlar, hiç bir zaman deneysel olarak doğrulanamaz: "Eğer olgucu yanılgıdan kaçınmak istiyorsak deneysel bilim alanında da doğrulanamayan önermelerin varlığını kabul etmemize olanak veren bir ölçüt seçmek zorundayız... Bu düşünceler, sınır çekme ölçütü olarak alınması gereken şeyin bir sistemin doğrulanabilirliği değil, yanlışlanabilirliği olduğunu telkin ediyor". Böylece Popper, bir sınır çekme ölçütü olarak yanlışlanabilirliği önerir. Ona göre yalnız deneysel kuramlar yanlışlanabilir bir nitelik taşır. Bazı şeyleri açıklayan ama önceden hiç bir şey kestiremeyen bir kuram yanlışlanamaz. Yanlışlama kıstası bilimi, bilim olmayandan ayırmamıza yardımcı olur, ama kusursuz değildir.

Bilimin önermeleri ve kuramları konusunda asıl önemli olan doğru olup olmadıkları değil, doğruya doğru gidip gitmediğidir.

Sınanmayan, yanlışlanamayan önermeler pek fazla değer taşımazlar. Bilim, aynı zamanda çok kuvvetli ve uzlaşmaz bir kuşkuculuk gerektirir. Kuşkuculara, deneyleri tekrarlama ve aynı sonuçları alıp almayacaklarına bakma şansını verilmelidir.

Bir bilimsel kanun, gözlem ve deneylerle iyi desteklenip kanıtlanmış genel prensiptir. Tipik olarak bilimsel kanunlar, deney ve gözlemlerle örtüşen kısıtlı ilkeler kümesidir.

Bilimsel kanun, bilimsel teoriyle yakından ilişkilidir. Tipik olarak, kanunlar teorilere nazaran dünya hakkında daha kısıtlı öngörülerde bulunurlar.

Kanunlar bilimin vazgeçilmez öğeleri olsa da, halen birçok bilimsel kanunun doğruluğu tartışılır düzeydedir. Bilim deneye çok önem verir ve bilimsel yöntem deneye dayanır. Bu safha işlenen konuyu daha inandırıcı kılmanın yanında belirli bir çerçeveye oturtur. Sadece kâğıt üzerinde birer teoriyken kanunlaşabilir ve temel taş niteliğine bürünebilir. Bilimin sonsuz bir süreç içinde değişimi yadsınamaz bir durumdur. Zaman içinde alt dallara bölünen bilim sayısal ve sosyal alanlarda ayrı konulara bürünmüş fakat nitelik açısından aynı amaca hizmet etmeyi sürdürmüştür.

BEYİN

BEYNİN YAPISI

Hayvan anatomisinde beyin veya ensefalon (yunanca), merkezi sinir sisteminin yönetim merkezidir. Birçok hayvanda beyin, kafanın içinde, birincil duyu organlarının ve ağzın yakınında yerleşmiştir. Tüm omurgalılarda beyin olduğu gibi, omurgasızlarda da merkezileşmiş bir beyin veya birbirinden bağımsız gangliyonlar topluluğu vardır. Beyin, şaşırtıcı derecede karmaşık ve komplike olabilir. Örneğin insan beyni 100 milyar'dan fazla nöron içerir ve bu nöronların her biri, kendi gibi 10.000 tanesiyle bağ yapar.

Kalınca ve dayanıklı bir zar (beyin zarı) ile örtülü merkez sinir sisteminin kafatası içinde olan kısmı. Önbeyin (Prosencephalon), Ortabeyin (Mesencep halon), Arkabeyin (Rombencephalon) olmak üzere üç bölüme ayrılır. Önbeyin: Beyin yarımküreleri ile bunları birbirine birleştiren ara beyinden meydana gelmiştir. Arabeyin, orta karıncıkla, onu çevreleyen oluşumlardan ibarettir. Önbeyin büyük bir parçası olan beyin yarımküreleri, iri ucu arkada bir yumurta biçimindedir. İçyan,

dışyan ve alt olmak üzere üç yüzleri vardır. Bu iki yarımküre, ortada “korpus kalosum” adı verilen büyük bir birleşikle birbirine bağlıdırlar. Yüzler birtakım yarıklarla “lob” lara, loblar da birtakım oluklara (girus) ayrılmıştır. Boz madde ve ak maddeden yapılmış olan beyin yarımkürelerinde; boz madde beyin yarım kürelerinin yüzündeki bütün kıvrımları ve bu kıvrımlar arasındaki olukları örter. Ak madde ise, yarımkürelerin ortasında bulunmaktadır. Ortabeyin: Arkabeyni önbeyine birleştiren bu dar parça içinde önde “beyin sapları”, arkada da “dördüz cisimler” vardır. Ortabeynin içinden, omurilik ve arka beyinden gelen beyin çekirdekleri ile beyin kabuğuna giden yollarla (duyurucu yollar), beyin kabuğundan ve beyin çekirdeklerinden gelerek arkabeyine ve omuriliğe giden yollar geçer. Arkabeyin: Soğanilik, Varol köprüsü, Beyincik ve Dördüncü karıncık olmak üzere dört bölüme ayrılmıştır. Soğanilik 3 santimetre uzunlukta ve taze soğanın başı biçiminde bir beyin parçasıdır. Omuriliğin üst ucundan başlar ve Varol köprüsünde sonlanır. Bunun içinden “kafa çiftleri” denen sinirlerle oynatıcı ve duyurucu yollar geçer. Varol köprüsü, omurilikten ve soğanilikten gelen ve beyincik kabuklarına giren duyurucu yollarla beyin kabuğundan gelen oynatıcı yolun içinden geçtiği bir bölümdür. Beyincik, Kafa boşluğunun arka boşluğunda yerleşmiş olup, beyin yarımkürelerinin arka ve altında; soğanilikle köprünün arkasındadır. Yukarıdan bakıldığında oyun kâğıdı kupasına benzer. Çevresinde boz madde, içinde ak madde vardır. Ak maddeden çıkan uzantılar, bir ağaç görünüşünde olduğu için buna “hayat ağacı” adı verilir. Gerek oynatıcı ve gerek duyurucu yolların büyük bir kısmının uğradığı yer olan beyincik denge işini düzenleyen bir organdır. Hastalığında denge işlemi bozulacağı gibi, harekette de düzensizlik meydana gelir. Dördüncü karıncık, beyin içindeki karıncıklardan biridir ve soğanilik'le Varol köprüsünün arkasında beyinciğin önünde bulunmaktadır. Eşkenar dörtgen biçimindedir.

Beyinin gördüğü iş: Beyin kabuğu içindeki sinir hücreleri birtakım gruplar halinde ve aynı işi görmek üzere toplanarak “beyin merkezlerini” meydana getirirler. Bu merkezleri meydana getiren hücreler oynatıcı, duyurucu, görücü, işitici, koku alıcı gibi işler görmekle beraber ruhsal yetilere ait işleri de görürler. Bu duruma göre beyin kabuğu içinde vücudumuzun hayati işleri ile ilgili birçok merkezler vardır. Beyin yarımküreleri içindeki akmadde de ise, beyin kabuğundaki çeşitli duyu merkezlerine giden ve oradan gelen çeşitli sinir liflerinin meydana getirdiği demetler bulunur. Böylece, vücudumuzun herhangi bir bölümündeki uyartı ile beyin kabuğundaki merkez arasında bir bağlantı kurulmuş olur. Meselâ parmağımıza bir iğne batırıldığında, bu acı izlemini alan derimiz, içindeki cisimcikler vasıtasıyla bu izi hemen sinir liflerine verirler. Sinir lifleri bunu omurilikteki sinir köklerine götürürler. Buradan da arkabeyin ve ortabeyinden geçerek beyin yarımküreleri içinde, oradan da beyin kabuğundaki duyurucu merkezlere iletilmiş olur. Buna karşılık, oynatıcı bir emir, beyin kabuğundaki oynatıcı merkezlerden doğarak aynı şekilde omurilikteki sinir köklerine gelir ve buradan hareket kaslarına kadar iletilir. Böylece kasta bir hareket meydana gelmiş olur.

BEYIN KABUGU

Korteks (Beyin kabuğu) sinir sisteminin en büyük bölümüdür. Bununla birlikte korteksin değişik bölümlerinin tahrip ya da uyarılmasının sonuçlarını biliyoruz.

BEYİN KABUĞUNUN FİZYOLOJİK ANATOMİSİ

Beyin kabuğunun fonksiyonel parçası nöronlardan oluşan 2-5 mm kalınlığında ince bir tabaka olup beynin bütün giruslarının (Kıvrım) yüzeyini örtmektedir. Kapladığı tüm alan bir metrekarenin dörtte biri kadardır. Beyin kabuğunun tümü yaklaşık 10 milyar nöron içermektedir. Temel olarak üç farklı hücre tipi ile karşılaşırız (granüler, fuziform, piramidal) Bu hücrelerin yoğunluklarına göre yapılan bir sınıflamada beyin beş ana yapısal tipe ayrılır. Korteksin farklı yapısal tiplerinin sıklıkla birbirine benzer fonksiyonlarını gösteren haritaya 'Brodman Haritası' denir. Beyin kabuğundaki bütün alanların 'Talamus' ile (simetrik olarak yerleşmiş çekirdekler olup hakkında bilgi verilecektir) getirici ve götürücü dolaysız bağlantıları vardır. Bağlantı talamustan kortekse korteksten talamusadır. Talamus ile bağlantı kesilirse buna bağlı kortikal alanın fonksiyonları tamamen ya da tamamına yakın ortadan kalkar. Korteks talamusla sıkı bir işbirliği içinde çalışır ve anatomik-fonksiyonel yönden talamusun gelişmiş bir uzantısı olarak kabul edilebilir. (Talamokortikal sistem) Bunun gibi duyu organlarından kalkan bütün yollar talamustan geçerek kortekse varır. Buna uymayan tek örnek: koku yollarıdır.

SİNİR SİSTEMİ, SİNİRSEL İLETİM VE NÖRONLAR

Sinir sisteminin yapı ve görev birimi olan nöron; geniş bir hücre gövdesi ve bu gövdeden çıkan uzantılara sahiptir.

Nöronun Yapısı ve Özellikleri

Nöron gövdesinden iki tip uzantı çıkar. Bu uzantılardan kısa ve ince olanlarına dentrit denir. Dentritler içinde en uzun ve kalın olanı ikinci uzantıyı oluşturur. Buna akson denir. Aksonlar miyelinli ve miyelinsiz olmak üzere iki çeşittir. Miyelinsiz aksonlarda izolasyonu sadece hücre yapar. Miyelinli aksonlarda impuls iletimi, miyelinsiz aksonlara göre 10 kat daha hızlıdır.

Nöron Çeşitleri

Nöronlar görevlerine göre üç gruba ayrılırlar.

Duyu Nöronları: Duyu organlarında bulunan reseptörlerden aldıkları impulsları (uyartı) beyne ya da omuriliğe ileten nöronlardır.

Motorik Nöronlar: Beyin ya da omurilikten aldığı emirleri tepki organına ileten nöronlardır.

Ara Nöronlar: Genelde merkezi sinir sisteminde ve omurilikte yer alan duyu, ara ve motor nöronları birbirine bağlayan nöronlardır.

İmpulsun Oluşumu ve İletimi

Dıştan veya içten gelen uyartıların sinir hücresinde oluşturduğu elektriksel ve kimyasal değişime impuls adı verilir. Nöronlarda impulsun iletilme yönü daima nöron gövdesinden akson uzantılarına doğru olur. Uyarının nöronda impuls oluşturması ve impuls iletimi elektro-kimyasal olarak gerçekleşir.

Nöron hücreleri uyarılmadığı zaman polarize (kutuplaşmış) durumdadır. Yani hücre dışı (+) içi ise (–) durumdadır. Bu olay sodyum ve potasyum iyonlarının eşit olmayan dağılımından kaynaklanır. (Na+) dışta fazla, (K-) ise içte fazladır. Sinir hücre zarının Na+ ile K- iyonlarına karşı geçirgenliği farklıdır. Sinir hücrelerinden Na+ aktif taşımayla hücre dışına verilirken, K- hücre içine aynı yolla alınabilmektedir. Sodyum pompalanması olarak bilinen bu işleme bağlı olarak, dinlenme durumundaki sinir hücresinde, dış ortama oranla, daha çok K- bulunduğu halde daha az Na+ bulunur. Bu nedenle sinir hücre zarı kutuplaşmıştır (Polarizasyon).

Sinir hücresi uyarılınca, uyarılan bölgede Na+ ve K-

iyonları zıt yönde yer değiştirirler. Bu değişim hücre zarının o bölgesindeki zarın dışan (–), içten ise (+) yüklenmesine neden olur. Sinir hücresindeki bu değişim olayına depolarizasyon denir. Bir bölgede

gerçekleşen depolarizasyon yan taraftaki Na+ ve K- iyonlarının da yer değiştirmesine neden olur. Bu şekildeki değişim tüm sinir hücresinin aksonu boyunca ilerler. İmpuls sinir telinin bir bölgesinden geçtikten sonra o bölge eski durumuna döner (Repolarizasyon). Böylece bu bölge yeni bir impulsun iletimine hazır hale gelir. Eğer sinirin uyarılan bölgesi, eski durumuna dönmeden, aynı nokta ikinci kez uyarılırsa, sinir bu uyartıya tepki göstermez. İmpuls iletimi sırasında hücre bol miktarda O2 harcar, ATP kullanır. Sonuçta CO2 ve ısı açığa çıkar. Bir nöronda impulsun başlayabilmesi için gereken en az uyarı şiddetine eşik şiddeti (eşik değer) denir. Bu değerin altındaki uyaranlar impuls oluşturamaz. Sinir hücresi, eşik şiddeti veya bunun üzerindeki uyartılara karşı maksimum tepki verir. Bu nedenle bu olaya “ya hep ya hiç” prensibi adı verilir.

Sinaps ve İmpulsun Sinapstan Geçişi

Bir sinir hücresinin aksonu ile diğer bir sinir hücresinin dentritinin uç uca geldikleri bölgelere sinaps (bağlantı) denir. Beyinde her bir sinir hücresi üzerinde ortalama 1015 sinaps ya da bağlantı noktası vardır.

Hücreler arası bağlantı noktalarındaki uyarı geçişi kimyasal veya elektriksel olarak iki tiptedir. Elektriksel bağlantı iki sıkı bağlantı (gap junction) yeri aracılığıyla elektrik yüklerinin zarlar arasında geçişine imkân verir. Bu bağlantı noktalarında hücreler arası mesafe çok kısadır. Bu tip ileti doğrudan elektriksel olduğundan çok hızlıdır ve uyarılar her iki yönde gidebilir (ileri ya da geri). İnsan beyninde sinir hücreleri arasındaki bağlantının ve dolayısı ile iletinin çoğu kimyasaldır. Kimyasal olarak adlandırılmasının nedeni, akson üzerinden sinir sonlanmasına gelen iyonik elektriksel akım (bu sodyum ve potasyum iyonlarının hücre zarında karşılıklı yer değiştirmesi ile oluşur) doğrudan diğer sinir hücresine geçmemesi, geçiş için kimyasal sinir ileticileri kullanmasındandır. Akson sonlanmasına gelen iyonik elektriksel akım, sinir sonlanmasında bulunan, zardan kesecikler içinde depolanan sinir ileticilerinin, hücreler arası bağlantı noktasındaki aralığa salınımın neden olur ve salınan sinir ileticileri diğer sinir hücresi yüzeyindeki algılayıcılar (reseptörler) üzerine etki ederek tekrar bir iyonik elektriksel akıma dönüşür. Keseciklerden sinir ileticilerinin salınımı, sinir sonlanmasında gelen iyonik elektriksel akımın kalsiyum iyonunu hücre zarından siniriçeri sokması ile

olur. Yani ileti; akson boyunca iyonik elektriksel akım hücrelersonlanmasında keseciklerden (vezikül) sinir ileticilerinin salınması bağlantıda olunan diğer zararası mesafede (sinaptik aralık) yayılma tekrar iyonik elektriksel akımınüzerindeki algılayıcılara (reseptörler) etki doğması şeklindedir. Elektriksel bağlantı bölgelerine göre, kimyasal bağlantı noktalarında aralık daha geniştir. İletim hızı da bu aşamalı dönüşümlerden dolayı daha yavaştır.

Sinapsların Özellikleri:

İmpulslar sinapslardan tek yönlü (aksondan dentrite doğru) geçerler.

Beyin hücrelerindeki bazı sinapslarda impulslar her iki yönde de geçebilir.

İmpulsların sinapstan geçişi, sinir hücresindeki iletimden daha yavaş olur.

İmpulsların sinapslardaki iletimi nörotransmitter maddelerle sağlanır. Yani kimyasaldır.

İmpuls geçişini engelleme ve kolaylaştırma (seçici direnç) olayları sinapslarda olur.

Sinapslar sadece iki sinir hücresi arasında olmaz. Bir sinir teli ile bir kas, reseptörler veya bir bez arasında da olur.

KUANTUM MEKANİĞİ

Klasik mekanik çok başarılı olmasına karşın, 1800'lü yılların sonlarına doğru, kara cisim ışıması (blackbody radiation), tayf çizgileri, fotoelelektrik etki gibi bir takım olayları açıklamada yetersiz kalmıştır. Açıklamaların yanlışlığı bilim adamlarının yetersizliğinden değil aksine klasik mekaniğin yetersizliğinden kaynaklanıyordu. Klasik mekanikteki sorunun ne olduğunu anlatmak aşırı teknik kaçacaktır, ancak en yalın halde klasik mekanik evreni bir "süreklilik" olarak modelliyordu.

1900 yılında Max Planck enerji'nin, 1905 yılında ise Albert Einstein ışığın paketçiklerden oluştuğunu, yani süreklisizlik gösterdiğini, bir varsayım olarak kullanmak zorunda kaldılar, bazı deneyleri açıklamak için. Elbette bu iki darbe klasik mekaniği yıkmadı. Uzunca bir süre bilim adamları bu süreksizliği klasik mekanik kuramlarından türetmek için uğraştı. Yine aynı yıllarda atomun içyapısı üzerine yapılan deneyler korkunç bir gerçeği gözler önüne serdi.

Rutherford yaptığı deneyle atomun küçük bir çekirdeğe sahip olduğunu gösterdi. Bu dönemde elektronun varlığı biliniyordu. Bu durumda eğer negatif yüklü elektronlar pozitif çekirdeğin etrafında dairesel hareket yapıyorlarsa, çok kısa bir zaman diliminde elektronlar çekirdeğe düşeceklerdi. Bu elektromanyetik teori ye göre açıklanacak olursa, ivmelenen yükler ışıma yapar, dairesel hareket de ivmeli bir hareket olduğu için, elektron bu ışımayla enerji yayacak ve çekirdeğe düşüp sistem çökecekti. Geçici çözüm Niels Bohr tarafından geldi. Elektronlar belli kuantizasyon kurallarınca, belli yörüngelerde hareket ediyorlar, enerjileri belli bir değere ulaşmadıkça ışıma yapamıyorlar bu sayede sistem dengede durabiliyordu. Bu geçici çözüm küçük atomlarda işe yaradıysa da daha büyük kütlelerde işe yaramıyordu. Bohr atom modeline, modeli deneylere uydurulmak için birçok yama yapıldı. Ne var ki Bohr'un "yamalı bohça"sı 1920'lere gelindiğinde artık iş görmüyordu, tayf çizgilerinin gözlenen yoğunluğunu yanlış veriyor, çok elektronlu

atomlarda salınım ve emilim dalga boylarını tahmin etmede başarısız oluyor, atomik sistemlerin zamana bağlı hareket denklemini vermedeki başarısızlığı gibi birkaç konuda daha gerçekleri gösteremiyordu.

Kuantum mekaniğini Planck doğurduysa, bebekliğinin sonu da De Broglie ile gelmiştir. Louis De Broglie; birçok elçi, bakan ve Dük yetiştirmiş, aristokrat bir Fransız ailesinin çocuğuydu. Tarih eğitimi gördükten sonra fiziğe geçmiş ve 1923'te verdiği doktora tezinde, ışığın hem dalga hem de parçacık karakteri olmasından esinlenerek, aslında bütün madde çeşitlerinin aynı özelliği gösterebileceğini önerdi. Ortaya koyduğu fikir, Bohr'un "gizemli" yörüngelerini açıklamada başarılı oluyordu.

Işığın girişim, kırınım yaptığı, yani dalga özelliği gösterdiği, Thomas Young'ın yaptığı çift yarık deneyi ile gösterilmişti. Ama tüm madde parçacıklarının, su dalgaları ile aynı matematiksel özellikleri göstereceği beklenmiyordu. Max Planck 1900 yılında karacisim ısınımı problemini (morötesi facia diye de anılır), çözmek için;

denklemini kullanmıştı. Bu denklem, foton kavramının başlangıcı oldu; çünkü ν frekansındaki elektron salınımından oluşan ışığın, klasik mekanikle uyuşmayan bir şekilde sadece, h* ν nun tamsayı katlarında enerji taşıyabileceğini göstermişti. h, günümüzde Plank Sabiti adıyla anılır. Fotonlar dalga özelliği gösterirse madde de gösterebilir analojisinin yanında önemli bir ipucu da Einstein'in birkaç yıl önce özel görelilik ispatında kullandığı Lorentz Dönüşümleri idi. Buna göre, serbest bir parçacık, fazı x,zamanı t olan bir dalga ile ifade edilirse, 2*π*(k*x- ν *t) , ve bu faz Lorentz dönüşümlerinde sabit kalacaksa, k vektörü ve ν frekansı, x ve t gibi dönüşmelilerdi. Ya da diğer bir deyişle, p ve E gibi. Bunun mümkün olabilmesi için, k ve ν (nu), p ve E ile aynı hız bağımlılığına sahip olmalılardı, bu yüzden de onlarla doğru orantılı olmalılardı. Fotonlar için E=h* ν olduğundan, madde için de

Ve

Varsayımlarını yapmak 'doğal' gözükmüştür.

Herhangi bir kapalı yörüngenin 1/|k| nin tam kati olması varsayımı ile, de Broglie, deneysel olarak gözlenen ve Sommerfield ve Bohr tarafından "kuantize olma şartları" olarak anılan şartları matematiksel olarak kolayca türetti. Bu türetme gayet gizemli bir şekilde doğru sonuçlar verince (Davisson ve Germer, 1927 yılında Bell Laboratuarlarında gerçekleştirdikleri deneyle, elektronların da aynı ışık gibi girişim yaptığını ortaya koydular. Deney 1924'te de Broglie tarafından önerilmişti) insanlar deneysel olarak başka şeyleri tahmin etmesini de beklediler. Elbette yanıldılar çünkü bu şartlar serbest ışık parçaları için yola çıkan varsayımların, çekirdeğe bağlı elektronlar için uyarlanmasıydı ve çok ileri götürülmemesi gerekiyordu. Ama doğru çıkış noktası idi.

Enteresan bir şekilde 1925–1926 yılları arasında Werner Heisenberg, Max Born, Wolfgang Pauli ve Pascual Jordan, matris mekaniği ile kuantum mekaniğinin formal tanımını yaptılar. Ama formalizmlerinde dalga mekaniğine yer vermediler. Benimsedikleri felsefe ise, tamamen pozitivist idi. Yani sadece deneysel olarak gözlenebilen değerleri göz önüne alan bir yaklaşım kullandılar.

Kuantum kuramında, her mikroskobik parçacık, bir dalga işlevi denklemi (Schrödinger dalga işlevi) ile tanımlanır. Bu denklem kısaca, parçacığın bulunabileceği tüm olasılıkların bir kümesini içerir ve parçacığın o an ve haldeki "kuantum durumunu" verir.

Normalde, makroskobik sistemleri oluşturan tüm bileşenler (parçacıklar) kendilerine has ve sürekli değişen farklı dalga işlevlerine sahiptirler. Tek tek parçacıklar düzeyinde, bu dalga işlevinden dolayı kuantum etkileri geçerliyken, makroskobik düzeyde, sistemleri oluşturan parçacıkların dalga işlevleri, "istatistiksel" olarak klasik mekaniğe uyumlu sonuçlar verirler. Bildiğimiz günlük dünyada kuantum etkilerinin neredeyse ihmal edilebilir düzeyde olmasının temel nedeni işte bu istatistiksel tabiata dayalıdır. Normal koşullarda kuantum etkilerini makroskobik günlük hayatımızda doğrudan gözlemleyememekteyiz.

1926 yılında Edwin Schrodinger bir dizi denklemle dalga mekaniğini yeniden canlandırdı. Sonunda kendi dalga mekaniğinden Heisenberg'in matris mekaniğini de türetip iki formalizmin matematiksel olarak denk olduğunu da gösterdi. Son makalelerinden birinde Schrodinger, rölativistik bir dalga denklemi de sunar.

Dirac'a göre ise tarih biraz daha farklı islemiştir. Ona göre, Schrodiger önce rölativistik dalga denklemini geliştirdi, sonra bunu kullanarak hidrojenin spektrumunu hesapladı ve deneylere uymadığını gördü. Ancak bu denklemin, düşük hızlarda geçerli olan versiyonu aslında çalışıyordu! Sonrada rölativistik dalga denklemini yayınladığında ise, bu Oskar Klein ve Walter Gordon tarafından yayınlanmıştı ve hala Klein-Gordon denklemi olarak anılır.

Bu noktadan sonra Dirac teoriye çeki düzen vermiş, özel görelilikle uyumlu hale getirmiş ve bazı deneylerin sonuçlarını teorik olarak üretmiştir, örneğin pozitron'un varlığının tahmini. 1930'lara gelindiğinde ergenlikten çıkmış bir teori halini almıştır kuantum teorisi. Daha sonra 1940'lar da Sin-Itiro Tomonaga, Julian Schwinger ve Richard P. Feynman, Kuantum elektrodinamiği konusunda önemli çalışmalara imza atmış, 1950'li ve 60'lı yıllar Kuantum renk dinamiğinin gelişimine tanık olmuşlardır.

Diğer yandan, kuantum fiziği makroskobik düzeye ulaşmaya başladı:

Young’ın başlangıçta fotonla yapılan çift yarık deneyi, daha sonra elektronlarla yapıldı. Zamanla parçacıklar daha da büyütülerek 60 kadar atomun bir araya geldiği bir küresel (buckyball) bir topla çift yarık deneyi yapılarak girişim elde edildi. Bu küresel yapı yaklaşık 2 nm çapındadır. 2003 yılında, 1 mm çapında bir yağ damlası (bir atomdan 10 milyon kat daha büyüktür ve bir karbon–60 küresinden 1 milyon kat büyüktür) ile girişim başarılmıştır. Şimdilerde daha da büyük olan ve kısmen canlılık özellikleri olan virüsleri kullanarak çift yarık deneyini yapma düşünceleri ortaya atılmakta ve planlanmaktadır. Yani kuantum mekaniği yavaş yavaş makro evrensel nesnelere ve düzeye çıkmaya başlanmıştır. Bu bir dereceye kadar makroskobik ayrımın kesin olmadığını ve makroskobik parçaların da dalga özellikleri gösterebileceğini kesin olarak ortaya koyar. Mikroskobik üst üste binme hemen her gün fizikçiler tarafından tespit edilir. Kuantum mekaniği tarihinde geçen yüz yıla karşın makroskobik üst üste binmeler nadir elde edilir. Bose-Einstein yoğunlaşması ile 107 atom içeren makroskobik üst üste binme durumları elde edilebilmiştir. Yani 107 atom aynı kuantum durumundadır. Hepsi bir ve tek davranırlar. Aynı bir dans grubundaki gibi tek davranış olur. Bireyselliklerini terk edip aynı olurlar.

KUANTUM MEKANİĞİNDEKİ ÖLÇME, GÖZLEMCİ SORUNU

Gerçekten var olanla, bizim ölçerek gözlemlediğimiz arasında hiç bir zaman kapatılamayacak bir fark olduğu söylenebilir mi? Belirsizlik ilkesi ışığında, kuantum kuramı evrenin bilinebilirliği hakkında ne getirmiştir?

Gerçeklik sorunu; yani gerçek olan nedir? Kuantum mekaniğinde çok tartışmalı. Aslında sorunun geçmişi çok eskiye gitmekte. Bir fiziksel olayı kendin gözlüyorsan bunun gerçek olduğunu algılıyorsundur. Ama bir olayı kaydedecek gözlemci yoksa gerçek nedir, ne değildir? Bu tartışma konusu. Sorunu felsefeciler kendi aralarında çözümleyebilmiş değiller. Kuantum mekaniği tartışmayı daha da karmaşık hale getirmiş. Çünkü kuantum mekaniğinin gelişiyle gözlemci, gözlenen, ölçme kavramları iyice ön plana çıktı. Kuantum mekaniğinde temel yorumlardaki zorluklardan bir tanesi şundan kaynaklanıyor:

Diyelim ki; gözlediğiniz sistemi belli bir ilk durumda aldınız ve üzerinde ölçüm yapmaya hazır hale getirdiniz. Sistemin ilk kuantum durumunu belirlemek için bir dalga fonksiyonu kullanalım ve q gözlenirini ölçelim. Kuantum mekaniğinin temel varsayımlarından birisi de şudur: q gözlenirini ölçtüğünüz zaman, q gözlenirine karşılık gelen ve sistem üzerinde işlem yapan bir Q operatörünün özdeğerlerinden bir tanesi ölçüm sonucu olarak karşınıza çıkar. Her özdeğere karşı gelen bir özfonksiyon vardır.

Bu özfonksiyon sistemin durumunu belirler.

Max Born’un ve daha sonra Amerika’ya yerleşerek sistem teorisi ve bilgisayarların işleyiş algoritmaları üzerine buluşlarını yapacak olan, Macar matematikçi John Von Neumann’ın 1932’de geliştirdikleri kuantum ölçme kuramına göre, eğer kuantum sisteminin ilk durumu bir dalga fonksiyonu ile belirlenir ve q gözleniri ölçülürse, ölçüm sonrasında sistemin durumu, ölçtüğünüz özdeğere karşı gelen özfonksiyonun tanımladığı son duruma gider. Yani sistemin durum değiştirmesi söz konusudur. Her ölçüm, sistemin durumunu değiştirir, sistemi bir durumdan başka bir özduruma taşır.

Sistem, aynı sistem üzerinde q gözlenirini ikinci bir kez daha ölçerseniz, sistem q’nun özdurumun da olduğu için dalga fonksiyonu değişmez, aynı kalır. Burada dalga fonksiyonunun verilen herhangi bir ilk durumundan, ölçülen gözlenirin bir özdurumuna geçişi, dalga fonksiyonunun çökmesi ya da yıkılması şeklinde tabir edilir. Böylece kavramsal pek çok sorun devreye girmiş oluyor.

Çünkü ölçüm sırasında durumlar arasında yavaş ve düzgün bir geçiş yoktur. Ölçüm yapılır yapılmaz, anında, dalga fonksiyonu özfonksiyonlarının birisine çöker. Dalga fonksiyonu nasıl birdenbire değişebilir? İşte kuantum mekaniğinde gerçeklik sorununun da, daha sonra tartışacağımız nedensellik ilkesinin geçerli olup olmadığı konusundaki kavramsal sorunların da kaynağında dalga fonksiyonu çökmesi var. Bu varsayım, kuantum ölçme kuramının temel taşlarından birisi. Başka bir gözlenir daha düşünürseniz, işler iyice karışık. Bir q gözleniri, bir de p gözleniri olsun. Genelde q’nun özdurumu p’nin özdurumu olmak zorunda değildir.

O halde önce q gözlenirini ölçersiniz dalga fonksiyonu q’nun özfonksiyonuna çöker. Daha sonra p’yi ölçerseniz, q’nun özfonksiyonu bu sefer p’nin özfonksiyonlarından birisine çöker. Hâlbuki önce p sonra q’yu ölçtüğünüzde dalga fonksiyonu sonunda q’nun bir özfonksiyonuna çökecektir. Yani birbiriyle uyumlu olmayan iki gözleniri hangi sıra ile ölçtüğünüze bağlı olarak son durum farklı çıkmaktadır. İşte belirsizlik ilkesi buradan çıkıyor.

NÖROKUANTOLOJİ(KUANTUM BEYİN)

GELİŞİMİ

Beynimizdeki yüz milyarı aşkın sinir hücrelerinden her biri kapsamlı bir kuantum bilgisayarı mı acaba?

10 yıldır, kuantum fiziği ve sinirbilimleri üzerinde çalışanlar, birbirlerinin alanına ilgi göstermeye başladılar. Önce fizikçiler, sinir sistemi alanına ilgi gösterdiler. Daha sonra sinirbilimciler geride kalmayarak, kuantum fiziği alanına ilgi gösterdiler. Uygun platformlarda olmamakla beraber, garip şekilde kuantum fiziği konferanslarında “bilinç, bilinçli ölçme, gözlemci” kavramları üzerinde konuşulmaya ve tartışılmaya başlandı. Sinirbilimleri konferanslarında, sinir hücreleri arası iletide kuantum fiziğinin yerinin olup olmayacağı, sadece klasik fizik tanımlamalarının beynimizin bazı işlevlerini açıklamada yetersizlik gösterdiği konuşulmaya başlandı. Ve 2000 yılından sonra, sinirbilimcilerinin ve kuantum fizikçilerinin bir araya geldikleri, “Kuantum Zihin” başlıklı akademik toplantıları yapılmaya başlandı. Bu toplantılardaki konuşmacılar, artık “Yeni Çağ” yazarları ya da elle tutulur temeli olmadan her şeye kuantum fiziğini sokan amatörlerden oluşmuyordu. Tersine, bunların çoğunluğu önde gelen fizikçi, sinirbilimcilerdi. Yaptıkları ya da yazdıkları da bilimin nesnel tanımının dışında değildi.

Kuantum fiziği, süperiletkenlik, atom altı parçacıkların tanımlanması gibi birçok önemli buluşun yolunu açarken, o zamana kadar anlaşılamayan birçok hadiseye de yeni bir pencereden bakma imkânı getirmişti. Bu alanlardan bir tanesi de, özellikle son yıllarda kuantum fiziğindeki görüş ve buluşlardan etkilenen sinirbilimleri oldu.

Bilinen evrendeki en karmaşık yapılanma biçimi olan sinir sistemi, klasik bilimsel paradigmalarla tam olarak anlaşılamayacak derecede karmaşık özellikler sergiler. Sadece sinir hücreleri ve onların arasındaki kimyasal haberleşmenin ayrıntılarını ortaya çıkarmaya yönelik yapılan çalışmalar, geçtiğimiz yarım yüzyılda beynin işleme mekanizmasını büyük ölçüde aydınlatmış olmasına rağmen, halen sinir sisteminin işleyişiyle ilgili büyük sorular yanıtlanamamış durumdadır. Bu sorular arasında; bilincin doğası, benlik algısının oluşması, sinirsel eşgüdüm (neuronal synchrony) ve “Bağlantı

Sorunu (farklı duyusal girdiler nasıl oluyor da tek bir benliğin algıları halinde birleştiriliyorlar?)” gibi temel sorunlar en fazla öne çıkanlarıdır.

Sinir hücrelerinin "elektrikle" çalıştığı hemen herkesin malumudur. Sinir hücreleri, etraflarını çeviren zarlarda bulunan iyon (Sodyum, Potasyum, Kalsiyum vb. iyonları için geçirgen olan) kanalları sayesinde, hücre içi ve dışı arasındaki elektriksel potansiyelleri düzenleyerek aktivite gösterirler. Her bir sinir hücresi, son derece karmaşık, muhtemelen tamamen biyolojik kurallara dayanan ve henüz tam olarak anlaşılamamış ve elektriksel etkinliğini, girdi ve çıktılarına göre düzenleme yeteneğine sahip bir birimdir. Artık bir tek sinir hücresinin nasıl çalıştığı, uyarıları nasıl alıp nasıl ilettiği hakkında pek çok bilgi mevcuttur. Evrenin parçalarına bölünerek anlaşılacağını kabul eden indirgemeci yaklaşımın, tüm bilimsel düşüncedeki kayıtsız şartsız hâkimiyeti, hücresel faaliyetlerin en ince moleküler düzeylere kadar araştırılmasının, sinir ve diğer sistemlerin anlaşılmasındaki "tek" altın anahtar olduğu sanrısının ortaya çıkmasına neden oldu (nöron doktrini) . Buna bağlı olarak bizler de, hücrelerin içerdikleri moleküller ve bunların birbirleriyle olan karmaşık ilişkileri üzerine bir yığın bilgi sahibi olduk. Fakat halen, özellikle beynin yüksek fonksiyonları (bilinç, hafıza, entelektüel düşünce, karar verme, zekâ vb.) konularında söyleyebileceklerimiz oldukça sınırlı ve doyurucu olmaktan henüz çok uzaktır.

Bu tip olguları açıklamaya çalışan bilimciler, zamanla, tek tek sinir hücrelerinin faaliyetlerine bakılarak bir türlü açıklanamayan bu olayları, sinir hücrelerinin gruplar halindeki faaliyetlerine bağlı olduğunu fark ettiler. Zaten sinir sistemi çalışmalarının başlangıcından beri, (beyin fonksiyonlarının hücresel bağlantılardan ortaya çıktığı yönündeki) bağlantıcı (connectionist) kuram genellikle geçerliliğini korumaktadır. Burada bahsedilen gelişme, kuantum fiziği olmak üzere, fiziğin yeni dallarının şaşırtıcı bulgularının, canlı sistemlere de uygulanmaya başlaması ile ortaya çıkan yeni bir anlayış biçimidir. Özellikle, elektriksel osilasyonlar (salınımlar), hücre gruplarının ortak boşalımları gibi kavramların sinir bilimindeki fonksiyonel önemleri, gün geçtikçe daha bir önem kazanmaya ve daha fazla tartışılmaya başlandı. Ülkemizde de Multidisipliner Beyin Dinamiği Araştırma Grubu adı altında TÜBİTAK bünyesinde faaliyet gösteren bir bilimci grubu, beyin dinamiklerini değişik disiplinlerin verileri ışığında değerlendirmeye ve daha kapsayıcı bir anlayışa ulaşmak üzere çalışmalarını sürdürmekteler. Kuantum fiziği alanında yaşanan baş döndürücü gelişmeler, maddenin farklı tezahürlerini araştıran tüm bilim dallarında da ilham verici etkiler yapmaktadır. Sinirbilimleri (neuroscience) alanı da bu ilhamlardan en fazla nasiplenenlerden bir tanesi. Sinir sistemindeki karmaşık yapının gittikçe daha açık bir biçimde ortaya konmasıyla, sinirsel işlevlerin nasıl olup da üretilebildiği sorunu, çözüleceğine, gittikçe büyümektedir. Son yıllarda, kuantum fiziğindeki bulguları sinirbilimlerinin sürekli genişleyen bilgileriyle harmanlayarak yeni açılımlar getirmeye çalışan kuantum sinirbilimi (veya nörokuantoloji), yeni ve umut vadeden bir bilim dalı olarak genişlemesini sürdürüyor.

Dünyada kuantum sinirbilimi, öncelikle H. Fröhlich’in moleküler titreşimlere ilişkin (Fröhlich oscillations) fikirleriyle başlamış, daha yakın zamanlarda ise Nobel ödüllü matematikçi Roger Penrose ile bir anestezi uzmanı olan Stuart Hammeroff’un ortak çalışmalarıyla (Orch OR kuramı) hızlı bir gelişim sürecine girmiş bulunmaktadır. Şu anda halen yoğun olarak hipotez ve kuram aşamasında olan bu yeni bilim dalı, deneysel alanlara doğru gelişimini sürdürmektedir. 1990’da başladığından beri sinirbilimi üzerine yapılan çalışmalardan elde edilen veriler büyük bir hızla artmaktadır. 1905 yılında sinir

hücresi öğretisi ile Nobel ödülü alan Santiago Ramon Cajal’dan, yakın zamanda bellek üzerindeki çalışmaları ile Nobel alan Eric Kandel’e kadar 100 yıllık sürede çok şeyler öğrendik. Nörogenetikle, genin işlevi ile beynin işlevi ve hastalıkların temelini anlamaya başladık. 1950’lerde beyin görüntülemesi için sadece anjiyografi ya da pneumoansefalografi kullanılırken, bugün işlevsel beyin görüntüleme yöntemlerine ilaveten birçok elektro fizyolojik yönteme de kavuştuk. Bu yüzyılda sinir bilimlerindeki gelişmelerle birçok alanda zaferler kazandık: birçok sinir sistemi enfeksiyonlarını antibiyotikler ve antivirallerle tedavi edebilir olduk, sinir ve kas hastalıklarına yönelik gelişmiş tanı yöntemleri kazandık, felçlerde pıhtı çözücü tedaviye başladık. Parkinson, Alzheimer ve epilepsi, amyotrofik lateral skleroz gibi hastalıklarda ideal olmasa da uygun tedavi yaklaşımlarını başlattık... Tedavi edemediğimiz hastalıkların oluş nedenlerini anladık... Bir zamanlar etkin tedavisi olmayan nörolojik hastalıklar artık nihilizmden kurtuldu. Beyin On Yılı, beyin görüntülemesi ile genetiğin muazzam potansiyelini önümüze koydu. Bütün bunlara ilave olarak bilişsel bilimlerde son yıllarda elde edilen veriler, yüzyıllardır devam eden felsefi konularla birleştirilerek nörofelsefe ortaya çıktı. Türkiye’de de konuyla ilgili çalışmalar yapan araştırmacılar mevcut. Ayrıca, İzmir’de Dr. Sultan Tarlacı’nın editörlüğünde 2002 yılından beri yayınlanan Neuroquantology dergisi, bu dalın önemli isimlerinin birbirinden ilginç çalışmalarıyla dolu ve Türkiye’de yayınlanan önemli bir bilimsel e-dergi (www.neuroquantology.com). Temel odağı “bilinç ve sinir sisteminde kuantum fiziğinin olası işleme mekanizmaları” olan dergi, buna bağlı her türlü kavramı “bilimsel çerçevede” ele almaktadır. Dergi, Türkiye’de ve dünyada kuantum sinirbilimleri alanındaki teorik ve pratik bilgilerin tartışıldığı ve geliştirildiği önemli platformlardan birisi haline gelmiş durumda. Dolayısıyla Nörokuantoloji kuantum fiziği kurallarını sinir bilimlerine uygulama açısından korrespondenz(muharebe, yazışma) bir alanın adıdır. Bu nedenle, Nörokuantoloji, önbilim (ProtoScience) olarak da görülebilir.

Kuantum sinirbilimleri sadece beyin araştırmalarını yeni bir yola sokmakla kalmayacak, muhtemelen yakın bir gelecekte geliştirilecek olan kuantum bilgisayarlarının temel çerçevesinin tanımını yapmaya imkân vererek, önemli teknolojik gelişmelere de yol açabilecek gibi görünüyor. Bu bilim dalı, sinir sisteminin işleyişi ile ilgili birçok yeni bulguları ortaya çıkarabilecek ve evreni anlamaktaki yegâne aracımız olan beynimiz ve sinir sistemimize yepyeni bir açıdan bakmamızı sağlayabilecek yeni bir bilimsel bakış açısı olarak karşımızda durmakta.

NEDEN KUANTUM MEKANİĞİ BEYİN YAPISINI AÇIKLAMAK İÇİN GEREKLİDİR

Belli fizikçiler bilinç/zihin dinamiklerinde kuantum mekaniği kurallarının etkisi olabileceğini öne sürerler.

Beyin karışık bir fiziksel sistem olarak makroskobik sinir hücresi sistemine ek bir mikroskobik sistemden oluşur. İlki sinir akımı yollarından oluşur(akson gibi). İkincisi, makroskobik sinir sistemiyle etkileşen kuantum mekanik çok parçacıklı sistemdir. İnsan beyninin mikroskop altı dünyası bilinci, zihni doğurur.

(*** Kognitif sinir bilim, duyusal girdiler, bunları algılama ve tanıma, geri çağırmak üzere bellekte kaydetme, karar verme ve motor(devinimsel) kontrol, içselliği dil ile aktarmayla ilgilenir. Ancak, bu süreçler esnasında ortaya çıkan, bilgisayarlarda olmayan, bilinç ve düşünme ile ilgilenmez.)

Kuantum mekaniğin özellikleri olan bit, yerel olmama ve dolaşıklık, tünelleme, parçacıklar arası etkileşimleri Bose- Einstein Yoğunlaşması, maddeye eşlik eden dalga ve alanlar bize beyni anlamada yeni ufuklar açabilir. Bir kuantum bit, klasik bitin sağladığı seçenekler olan 0 ve 1’den çok çok daha fazlasını sağlar.

Kuantum bilgisine işlenen bit, kubit(Q-bit) olarak adlandırılır.│0>, │1 şeklinde gösterilir. Klasik bit “0” ve “1” değerlerini almasına karşın kubit, iki klasik duruma ilave olarak farklı

durumlarda alabilir; │0>, │1 ve her ikisinin üst üste binmesi durumları, yani aynı zamanda hem │0> hem de │1> durumunda olabilir.

Bilgi işlemedeki temel birimler sinir hücreleri(nöron) olmayabileceği yönünde güçlü kanıtlar vardır. Temel işlem birimleri mikrotübüler tübilinler ya da dendrit üzerindeki dikensi çıkıntılar olabileceği yönünde kanıtlar vardır.

Klasik bilgilere göre, kalsiyum potasyum gibi iyonlar kendilerine ait iyon kanallarından seçici olarak geçerler. Ve her iyon bir iyon kanalından geçer. Ancak, kuantum fiziksel açıdan bakıldığında bir iyon sadece bir iyon kanalından geçerek etki etmez. Bir iyon bir iyon kanalından geçmesine karşı, diğer komşu iyon kanalları üzerinde de belli bir etkide bulunur. Örneğin kalsiyum iyonunun çapı santimetrenin yüz milyarda biridir. Kuantum belirsizlik ilkesine göre, bir kalsiyum iyonunun belirsizliği 0,04 cm dir. Bu değere bakıldığında belirsizlik etki alanı, kendi asıl çapının 100 milyon katı bir alana yayılır. İyon kanallarının mikrometre karede 2000 ile 12 bin arasında olduğu düşünüldüğünde ve beyinde milyarlarca kalsiyum kanalı göz önüne alındığında bu etkinin inanılmaz olduğu bir gerçektir. Aynı durum sadece iyonlar için geçerli değil, sinir ileticileri içinde geçerlidir. Bir sinir ileticisi tek bir alıcısına(reseptöre) bağlanmakla beraber, aslında yakın komşuluğundaki diğer reseptörlere de etki eder. Örneğin, 8 nanometre çapındaki bir sinir ileticisi 63 nm genişliğindeki bir alanda etki eder. Etki olayı sadece klasik fizikte olduğu gibi, bir anahtarın kilit içerisine girmesi ve kapıyı açması şeklinde değil; diğer kapıların açılmasına da etki etmesi şeklindedir.

Sinir sistemindeki haberleşme, kimyasal sinir ileticilerinin, hücreler arası bağlantı noktalarında (sinaps) hareketi ile ortaya çıkar. Bu sinaptik yapılar makroskobiktirler. Kimyasal ileticilerin de %95’i peptid yapısındaki makroskobik yapılardır. Mini proteinler 100 aminoasit kadar yapıdan oluşur ve en fazla 10 bin atomik kütle ağırlığındadırlar. Çoğunun boyutları ise 10 nm kadardır. Heisenberg’in belirsizlik ilkesi düşünüldüğünde, peptidlerden birinin hız değişimi ∆v=0.63 nm/saniyedir. Bu peptidler hem hücre içi hem de hücreler arası ortamda, beyin içinde hareket ederler. Belirsizlik ilkesine göre bir peptidin yeri ∆s=∆v.∆t=63 mm’dir. Bu değer, peptidin etki edeceği algılayıcısına (reseptör) göre çok uzun bir mesafedir. Bu nedenle kuantum belirsizlik ilkesi sinir ileticilerinin algılayıcılarına etki etmesinde göz önüne alınabilir. Yine peptidlerin üst üste binmesi de (kuantum üst üste binme=superpozisyon) olabilir. Ayrıca, sinir ileticilerinin davranışlarımız ve karar vermelerimizde etkisi olduğundan, kuantum belirsizlik/olasılık ilkelerinin devreye giriyor olması mümkündür.

Bunun yanında, kuantum mekaniğine özgü olan tünelleme, muhtemelen sinir ileticilerinin kimyasal bağlantı noktalarında(sinaps) serbest bırakılmasında veya iyonların hücre zarından geçişlerinde de devreye girer. Bu tünelleme beyinde sürekli olan düşünce akışımız, elektriksel olarak kaydedilen beyindeki zemin gürültüsü ve minyatür son plak potansiyeli denen boşalımlardan(20–40 Hz) sorumlu olabilir. Memelilerde sıkı bağlantı bölgelerindeki etkileşim tamamen elektriksel olduğu için bu elektriksel sinir hücreleri arası bağlantı bölgelerinde büyük bir olasılıkla tünelleme yoğun olarak devreye girmektedir. Tünelleme olayı beyne bütüncül olarak baktığımızda bilincimizi oluşturan en önemli etken olabilir.

Beyin en önemli özelliği, bütüncül beyin çalışması ve eş durum halidir. Bu eş durum halini ve bütüncül beyin çalışmasını sadece sinir hücrelerinin oluşturduğu, basit iyon geçişleri ile birbirine bağlanan ağlarla açıklamak zor görünmektedir. Normal düşünce

hızımız ve akışımız, beynin bütüncül çalışmasına klasik yönden bakıldığında çok çok hızlıdır. Bu bütünlüğü ve eşdurumlu çalışmayı açıklamak için kuantum mekaniğinde olan Bose- Einstein yoğunlaşması ideal bir yaklaşım olabilir. Bose- Einstein yoğunlaşması cansız madde de sıklıkla ortaya konulabilmesine karşın, biyolojik olan canlılarda da benzer durumun, dışarıdan enerji desteği ile mümkün olabileceği öne sürülmektedir. Bu şekilde gerçekleşecek bütüncül çalışma; bilinç, zihin, düşünce, kişilik ve bir bütün olarak hissettiğimiz BEN’liği oluşturuyor olabilir.

Lotka, beyindeki kuantum mekaniğinin yeri hakkındaki fikirlerini Elements of Physical Biology adlı kitabında (1924) öne sürdü. Lotka’ya göre zihin beyni, tam olarak rastlantısal düzende ortaya çıkan kuantum sıçramaları ile kontrol ediyordu.

Lotka’nın bu fikirlerinden bir yıl sonra (1925), Bose-Einstein Yoğunlaşması (BEY) teorik olarak öne sürüldü ve ancak 1995 yılında deneysel olarak başarıldı. BEY’a göre, bütünü oluşturan birimler bazı şartlar altında eşdurumlu ve aynı olarak davranabilirler. LASER’de aslında bir BEY’dır ve eşdurumlu hale geçen LASER ışığını oluşturan fotonlardır. Fotonlardan daha büyük olan atomlarda belli şartlar altında (çok düşük ısı) eşdurumlu olarak davranabilirler. Hepsi aynı davranışı sergilerler. Tıpkı bir dans topluluğu gibi hepsi hareketlerinde aynı ritme uyarlar. Elemanlar bireyselliklerini kaybederler. Beynin bütüncül çalışmasına benzeyen bu fiziksel sistemin, bir ölçüde beyinde de olabileceği tartışılmaya başlandı.

Bose-Einstein yoğunlaşması bozonlardan oluşan maddelerin mutlak sıfır sıcaklığına çok yakın değerlere kadar soğutulmasıyla ortaya çıkan maddenin bir halidir. Bu süper soğutulmuş maddede atomların büyük çoğunluğu en düşük kuantum durumlarına çöker ve böylece makroskopik skalada kuantum etkileri göstermeye başlar.

Bazı durumlarda, uygun koşullar sağlandığı takdirde, makroskobik bir sistemi oluşturan elemanlar, birdenbire, son derece ahenkli bir "dans" içine girip, birbirlerinin tıpatıp aynısı olan ortak bir dalga işlevine göre "eşdurumlu" (coherent) hale gelebilmekteler. Bunun sonucunda da, parçacıkların ahengini sağlayan o minicik kuantum olasılık etkileri, makroskobik bir karakter kazanıp görünür hale gelirler. Bu sistemler, böyle bir olayı birbirlerinden bağımsız olarak tahmin eden Hintli fizikçi Bose ile Einstein'ın adlarına hürmeten "Bose-Einstein yoğunlaşmaları" (condansate) olarak bilinirler.

Bose-Einstein yoğunlaşmalarının en ünlü örneklerinden birisi, "üstün iletkenler "dir. Üstün iletkenlik, normalde elektrik akımına karşı bir direnç göstererek elektrik akımının geçmesi sırasında ısı oluşturarak akımın sönümüne yol açan iletkenlerin, soğutulduklarında (yaklaşık -200 dereceye kadar) akıma karşı neredeyse sıfır düzeyde direnç göstermeleri şeklinde ortaya çıkan bir hadisedir. Böyle bir üstün iletkende ilerleyen akım, teorik olarak yüzlerce yıl boyunca herhangi bir sönüme uğramadan yoluna devam edebilir. Teorik olarak, elektrik akımına karşı oluşan direnç, iletkeni oluşturan atomların rasgele hareketlerinden kaynaklanmaktadır ve bu rasgele titreşimler de parçacıkların farklı dalga işlevleri ile yakından ilişkilidir. Böyle bir sistem soğutulduğunda, atom ve molekül hareketleri gittikçe azalacak ve mutlak sıfır (-278 santigrat) noktasında tüm sistemi oluşturan parçacıklar aynı dalga işlevine sahip bir Bose-Einstein yoğunluğu oluşturarak "eşdurumlu" bir sistem haline dönüşeceklerdir. İşte bu sayede elektrik akımına karşı gösterilen direnç son derece azalacak ve "üstün iletkenlik" durumu ortaya çıkacaktır. Bildiğim kadarıyla, daha yüksek sıcaklıklarda

çalışabilecek üstün iletkenler üzerine çalışmalar hızla sürmekte ve muhtemelen ilerideki kuantum bilgisayarlarının temelini de bu tip devreler oluşturacak.

Bu örnekler, Bose-Einstein yoğunlaşmalarının istisnai makroskobik örneklerinden bazılarıdır. Bu tip hadiselerin önemli bir özelliği, kuantum etkilerinin büyük boyutlara taşınarak gözle görülebilir sistemleri etkileyebilir hale gelmesidir. Sinir bilimleri açısından, beyin gibi büyük bir organın ve zihin gibi karmaşık bir işlevin açıklanmasında, bu fikir oldukça ilginç açılımlara yol açmıştır. Özellikle son 50 yıldır, bu "eşdurumluluk" ve Bose-Einstein yoğunlaşmalarının, bilincin temelini ve bilinç bilimindeki "bağlantı problemi", "teklik tecrübesi" gibi sorunları açıklayabilecek bir zemin oluşturabileceği konusunda ciddi savlar boy göstermeye başlamıştır.

Aslında her an bedenimizde de kuantum mekanik olaylar işler. Kumsalda güneşlenirken bronzlaşma, dış dünyadaki nesneleri görme kuantum mekanik olaylardır. Mitokondrial ve hücresel H iyonu değişimi, solunum zincirindeki elektron transferi, hücrede enerji elde etmek için çalışan krebs döngüsü… Bütün bunlar kuantum mekanikseldir.

Beyinde kuantum mekaniği gibi yerel değil bütüncüldür. Kuantum mekaniğindeki dalga-parçacık ikiliği, ruh-beden, zihin-beyin ikiliğine

benzerlik gösterir. Fizik-sinir bilimlerin iç dünyası olan insanla dış dünyayı oluşturan uzay arasında

bir bağlantı noktası olacağı fikri. Tıp→ Biyoloji

→Organizma→Organlar→Dokular→Biyokimya+Fizik(KUANTUM+KLASİK MEKANİĞİ) gibi bir indirgemeyle parçacık düzeyine ulaştırabileceği…

Sinir hücreleri arası iletimi sağlayan sinir ileticileri, klasik fizik yasalarıyla açıklanabilir ama bu açıklama sinir iletimi ve sonucunda gerçekleşen olayları açıklamakta yetersiz kalmaktadır.

Zihin-beyin, bilinç sorununa şimdiye kadar uygun bir açıklama getirilememesi kuantum fiziğinin etkisinin olduğu fikri

Beynin kütlesi ve belli bir potansiyele sahiptir. Mikroskobik boyutlardaki enerji transferinde kuantum mekaniğinin etkisinin olduğu düşüncesi.

Ancak beyinde kuantum mekaniğinin işlediğinden bahsetmek için bazı postulalar gereklidir. Kuantum mekaniğinin işleyebileceği yapılar;

1.uzak mesafelere yayılabilmeli,

2.çevreden iyi yalıtılmış olmalı,

3.çok kısa sürede kuantum durumlarının ortaya çıkmasına izin verebilmeli,

4.bütün beyin sinir hücrelerinde bulunan bir özellikte olmalıdır.

Elimizde, bunların bir kısmını karşılayan kuantum beyin teorileri vardır.

Kuantum kuramının tanımları, alternatif olasılıklar çok küçük düzeyde kaldığı surece, yalnızca molekül, atom veya atom altı parçacıklar düzeyinde değil, daha büyük ölçeklerde de uygulanabilmektedir. Mikroskobik kuantum ve makroskobik = makroevrensel klasik dünya arasındaki sınır, 1980’lere doğru keskinleşmeye başladı. 1983’te çevreden yeterince uygun şekilde konumlanabilirse makroskobik sistemlerinde kuantum sistemleri gibi davranabileceği gösterilmiştir.

KUANTUM GÖZLEMCİ SORUNUNUN NÖROKUANTOLOJİSİ

Kopenhag Okulu: Gözlemci, dalga fonksiyonu olasılığıyla rastlantısal sonuçları görür. Gözlem ile eşleşen tek bir sonuç ortaya çıkar. Dalga fonksiyonunda çökmeye gerek duyar. Olasılıklar dalga fonksiyonu ile belirlenir. Rastlantısaldırlar. Schrödinger denklemini bozar.

Von Neumann, Kopenhang yorumunun dünyayı gözlemci ve gözlenen sistem olarak ikiye ayırmasına karşı çıkmıştır. Bunların gerçekte tek olduğunu ve dalga fonksiyonunun çökmesi için yeni bir fizik yasasının devreye girmesi gerektiğini öne sürmüştür. Bu gerçekte var olan ve fiziksel olmayan bir şey olmalıydı. Sonunda Neumann bunun “bilinç” olması gerektiği kanısında varır.

Hugh Everett’in çoklu zihinler yorumu(Çoklu zihinler ifadesi, farklı beyinlerdeki bölünmüş zihinsel durumları ifade eder.), gözlemleyen atomun kuantum konumlarının sadece olasılık değil, gerçek olduğunu söyler. Bu ilginç teoride, olasılık durumlarından her biri farklı evrenlerde gerçek olarak bulunur. Everett’e göre, olası her şey dev bir evren içinde küçük olasılık evrenleri olarak bulunur. Olasılık durumlarından her birini gözlemleyen insanlar birçok alt evrende bulunur. Ancak bu insanların birbirinden haberi olmaz. Bütün olaylar ise bu dünyada gerçekleşir. Bu modelde olasılıktan gerçeğe gözlemcilerle yaratılan gerçeklik geçişleri yoktur.

Everett’in teorisi iki soruya cevap veremez. Birincisi, dünya eğer makroskopik üst üste binmeleri içeriyor ise niçin onları algılayamadığımız; İkincisi ise, hangi fiziksel mekanizmaların klasik son durumları seçtiğidir?

Bilincin fiziksel bir arka planı ve temeli vardır ve bu fizik terimleri ile ortaya konulabilir olduğunu gösterir. Eşdurumdan çıkma ya da üst üste durumun çevresel nedenle tek bir sonuca ulaşması (decoherans) gerçek bir fiziksel olaydır ve fizik laboratuarlarında incelenebilmiştir. Kuantum belirsizliğinden klasik gerçeklik düzeyine geçiş, kuantum ölçüm esnasında olur ve ölçülen nesne üzerinde dışsal etkilerle bunun olabileceği öne sürülür. Ölçülen nesne “açık” bir kuantum sistemidir. Açık sistemlerin nasıl davranacaklarını çevre ile olan etkileşimleri belirler. Herhangi bir gözlem(ciy)e gerek duyulmaz.

Eşdurumdan çıkmayı anlamanın en kolay yollarından biri dalga fonksiyonunun “yoğunluk matrisi” ile yola çıkmaktır. Her dalga fonksiyonu için bir yoğunluk matrisi vardır ve bu matrislerin de Schrödinger dalga denkleminde bir karşılığı vardır

Evren hakkındaki fizik yasaları” nesnel bilgi” ile dile getirilir ve bigi ancak gözlemler aracılığı ile elde edilir. Gözlemler ise yalnızca ölçme süreci ile gerçekleştirilebilir. Bu nedenle de gözlem bir anlamda ölçme ile eş anlamlıdır.

NOROKUANTOLOJİDE YENİ BİLİMSEL YAKLAŞIMLAR

Eccles’ın Dendron ve Psikonlarda Kuantum Tünellemesi

Eccles klasik fiziğin dışına çıkarak, fizikçi Frierich Beck’in yardımıyla, zihin-beyin etkileşimini açıklamaya çalıştı. Teorisinde, beyin kabuğunun ince temel yapısı ile kuantum fiziğini birleştirdi. Eccles’a göre beyin kabuğunun esas temel birimi dendrondur. Dendronların zihinsel temsilcileri ise psikonlardır.

Eccles’a göre, zihinsel olayların, beyinde nasıl sinirsel-elektriksel olaylar meydana getirdiği konusunda farklı bir teori gerekmektedir. Zihinsel olayların sonucunda, zihinsel olaya bağlı olarak farklı beyin bölgelerinde kan akımı artışı ve şeker kullanımında artış meydana gelir. Bütün bu sonuçlar temelde keseciklerden sinir ileticisi boşalımının bir yansımasıdır. Sinaps öncesi bölgeye ulaşan sinir uyarısı, son düğümü uyararak, kalsiyum iyonlarının içeri girmesine neden olur ve ardından kesecik içeriğinin boşalımı ortaya çıkar. Bu boşalım ilgili beyin kabuğu bölgelerinde kan akımı artışı olarak gösterilebilir. Ancak eksik bir halka vardır. Düşünceler(öncel neden) nasıl beyinde belli bölgelerin aktivitesini, çalışmasını ve enerji kullanımını(sonuç) artırabilir?

Sinaps öncesi bölgesinde, presinaptik kesecik ızgarası denilen üç açılı bir yapı bulunur. Küresel kesecikler 50–60 angström çapındadır. Sinir hücresinden ilerleyen elektriksel ya da iyonik elektrokimyasal uyarı, aksonun ucundaki sinaps öncesi bölgeye ulaştığında, boşaltma olarak adlandırılan, keseciklerden sinir ileticilrinin salınımına neden olur. Sinir uyarılarının çoğu, bir presinaptik kesecik ızgarasından tek bir kesecik boşalımına neden olur. Bu sınırlama olasılıkla, parakristalin presinaptik kesecik ızgarasında keseciğin gömülmüş olmasından kaynaklanır. Sinir ileticilerinin boşaltımı, beyin kabuğundaki temel birimsel aktivitedir. Her “hep-ya da hiç” boşaltımı ile sinir ileticilerin serbestleşişi, kısa süreli uyarıcı sinaps sonrası potansiyele neden olur. Bir sinir hücresine yeterli büyüklükte bir uyarı oluşturabilmek için (10–20 mili volt), küçük uyarıcı sinaps sonrası potansiyellerin binlercesinin bir arada etki göstermesi gerekir.

Sinaps öncesi bölge, gelen elektrokimyasal uyarı ile uyarıldığında, boşaltma olasılığı 1’den daha az olan bir çerçevede ortaya çıkar. Bu termodinamik ya da kuantum mekaniğindeki istatiksel kavramı akla getirir. Her dendritteki sinapslar üzerinde dikensi çıkıntıların binlercesinin oluşturduğu yerel uyarıcı sinaps sonrası potansiyellerin bağımsız istatiksel toplamı, sonuç uyarıcı sinaps sonrası potansiyeli oluşturur. Boşaltma, temel olarak presinaptik kesecik ızgarasında bir kanalın açılmasına ve sinaptik aralığa kesecikteki sinir ileticisi salınımına bağlıdır. Bu klasik fiziğin kurallarını kapsayan mekanik işlemdir. Olasılık salınımında, kuantum mekaniğinin rolünü incelemek için, kalsiyum iyonu etkisi de devreye sokulmalıdır. Beck ve Eccles’a göre bu durumda, serbestlik derecesi 1 ile tek parçacığın(sinir ileticisinin) hareketi bir bariyer üzerinde modellenebilir. Bu modelleme kuantum mekaniği tünelleme işleminin benzeridir.

Zihinsel olaylarla sinirsel olayların oluşumu

Eccles ve Beck’e göre, beyin kabuğu dikkatle değerlendirildiğinde anahtar mekanizmanın sinir ileticisi boşaltımı olduğu görülecektir. Zihinsel çabanın yokluğunda olasılık genlikleri birbirinden bağımsız olarak etki ederler. Zihinsel yoğunlaşma ile bir dendronda, tam bir bütünlük içinde sinir ileticisinin boşalma olasılığı artar. Bu yolla çok sayıda olasılık genliklerinin bir araya gelmesi, eşdurumlu bir beyin meydana getirecektir.

Walker’in Kuantum Sinaptik Tünellemesi

Walker’a göre, sinir iletiminde öne sürülen kalsiyuma bağlı sinir ileticisi salınımı teorisi, klasik anlayışa göre, herhangi bir sinir uyarımının(aksiyon potansiyeli) sinir hücresi sonlanımına ulaşması(presinaptik bölge), iyonize kalsiyum aracılığı ile içinde sinir ileticileri bulunan keselerin açılmasına neden olur. Salınım olasılığı ve keseciklerin açılması değişik faktörlere bağlıdır, p=0,01–0,9 arasında değişir. Yüksek p değerli sinaplarda, bazı kalsiyum bağlanma yerleri, uyaran gelmeden önce kalsiyum ile doldurulmuştur. Bu hazır bağlanmadan dolayı daha kısa sürede daha fazla salınım olur. Bazı proteinler salınıma yardım eder, sinir ileticisi salınımında devreye girerler: sinaptotagmin1 ve 2, munc–13,sintaksin… Bunlardan sinaptotagminler kalsiyum duyargalarıdır ve hassasiyetlerinin 2 kat artması sinir ileticilerinin boşaltılması olasılığını 16 kat artırır. İki yüz kadar kalsiyum iyonu, tek bir kalsiyum kanalının açılması ile salınımı başlatabilir.

Walker, sinir hücresi son kısmında kesecik salınımına neden olan kalsiyumun enerjisinin sonuçta elektronlardan geldiğini belirler(Ca++ iyon yapısı nedeni ile).Genelde öne sürülen fikir, presinaptik bölgeye kalsiyum iyonunun deneysel olarak verilmesi, kesecik boşalımı ile ateşlemeye neden olur şeklindedir. Herhangi bir teorinin, sinir hücreleri arası bağlantı yerinin neden özel yapıda olduğunu açıklamasının gerektiğini, ancak kalsiyum teorisinin bunu yapamadığını öne sürer. Walker, geleneksel bakış açısından farklı olarak kalsiyum sinaptik geçişte ikincil bir görevi olduğunu düşünür. Bazı canlılarda elektriksel+ kimyasal iletim bir arada bulunur. Her iki tipte de elektriksel sinapların bağıntı aralığı yaklaşık 150–180 A0 aralığındadır ve sinir ileticisi içeren kesecikler bulunur. Kuantum mekaniksel tünelleme için uygun yapılardır.

Elektriksel sinaplarda, elektriksel iyonik akım doğrudan bir yerden diğerine geçer. Bu tür sinapslar memeli beyninde ve retinasında bulunur. Bu sinapslar birbirine 3,5 nm kadar yakın olabilirler(kimyasallar 20–40 nm aralıklıdır).Kimyasal bir sinapta ileti gecikmesi 2msan iken elektriksel sinapta bu süre 0,2 msaniyeden çok çok kısadır. Dolayısı ile elektriksel sinaplar çok hızlıdır. Bu hızdan ve sıkı bağlantı özelliklerinden, kuantum tünelleme için oldukları kadar bütüncül beyin çalışması(eşzamanlı nöronal boşalım) içinde en önemli yerdir. Sinaptik geçiş için elektrik akımı denklemi şu şekildedir;

I= α.e.ng. fMEPP

α :Molekül başına tünelleyen elektron sayısı

ng: bir kesecik kapısı molekül sayısı

e: elektron yükü

fMEPP : motor son plak minyatür potansiyel boşalım frekansı(Minyatür motor son plak potansiyelleri, herhangi bir sinir salınımı olmadan, sinir sonlanım yerlerinden kaynaklanan, tamamen rastlantısal olduğu düşünülen potansiyellerdir.Bunlar motor son plak ”gürültü” ya da “dikenleri” şeklinde olabilirler ve yaklaşık 50 Hz salınım yaparlar.Walker’a göre bu salımınlar kuantum mekanik tünellemenin bir sonucudur.Özellikle yakın zamanda bilinçle ilişkilendirilen eşdurumlu gamma beyin dalgalarının, Walker’in denklemleri ile uyumu olması dikkat çekicidir.

Penrose ve Hameroff’un Kuantum Nesnel İndirgenmesi

Penrose kuantum mekaniğinde tartışma konusu olan, öznel ve nesnel indirgenme arasında da ayrım getirir. Öznel indirgenme için bilinen açıklamayı yapar. Bir kuantum sisteminde ne olduğu gözlenene kadar herhangi bir özel durumda değildir. Gözlem, sistemde bir indirgenme/çökmeye neden olur. Bu geleneksel kuantum teorisinin bakış açılarından biridir.

Nesnel indirgenme ise Penrose’nin bir keşfidir ve görelilik ile kuantum mekaniğini birleştirme girişiminden kaynaklanır. Nesnel indirgenmeyi, kuantum mekaniksel bilinç teorisinin içine katar.

Üst üste binme durumlarının her birinin kendi uzay-zaman geometrisi vardır. Özel durumlar altında, mikrotübüllerde de üst üste binme gerçekleşir ve sonuçta bir seçim gerçekleştirilir. Nesnel indirgenme, bir seçim yapıldığında dalga fonksiyonunun çökmesidir. Çevresel proteinler bir dereceye kadar nesnel indirgenmenin ayarlanmasını yönetirler. Penrose ve Hameroff’a göre” ön-bilinç” bilgisi, temel Planck ölçeğinde, uzay-zaman geometrisinde kodlanır. Bu ölçekteki olaylar bilinç durumları ile sonuçlanır. Platonik bir bakış açısı da yakalayan Penrose, bilinç durumlarının kendi dünyalarında bulunduğunu ve bizim zihinlerimizin oraya ulaştığını öne sürer.

Penrose ve Hameroff beyinde, kuantum eş durumu üst üste binmesinin gerçekleşebileceği nesnel indirgenme ve bilinç doğabileceği en uygun yer aramasında bazı ölçekler kullandılar. Bunlar:

1.Sık bulunması

2.İşlevsel olarak sinir hücreleri arasındaki bağlantıda ve hücre yapısının devamlılığında yer alması

3.Periyodik ve kristal benzeri yapıda olması

4.Dış çevreden etkilenmemesi için kendini izole edebilmeli

5.İşlevsel olarak kuantum seviyesi olayları ile ilişkilendirilebilmeli

6.Tüpçük ve silindirik olmalı

7. Bilgi işlemeye elverişli olmalıdır.

Bütün bu özellikler kısmı olarak hücre zarlarında, DNA’da, zar proteinlerinde ve sinapslarda vardır. Ancak bu özelliklerin tümü sinir hücreleri içindeki mikrotübüllerde vardır. Mikrotübüller; sinir hücrelerinde iskelet hücrenin çatısını sağladığı gibi sinir hücrelerini birbirine bağlayan yerlerin çalışması da düzenlerler ve moleküler yapıdadır.

Mikrotübillerin kuantum bilgi işleme de yeri olabileceği ve bilincin kaynağını oluşturabileceği hala tartışılmaktadır.

Nesnel indirgenme modeli; sinir hücresi çalışmasını kontrol etme ve düzenleme, bilinç öncesinden bilinçli duruma geçme, hesap edilemezlik, nedensellik, “şimdi” içerisinde farklı üst üste binmelere bağlantı, zamanın ve bilincin akışı, ardışıklığı, özgür irade, bağlantı sorununu çözme: zihin- beyin nerede ilişkilidir.

Umezawa’nın Kuantum Alan Teorisi

Kuantum alan teorisindeki Nambu-Goldstone teoremi, vakumların yapısını gayet iyi şekilde açıklar. Nambu-Goldstone bozonları kütleleri sıfıra çok yakın bozonlardır. Temelde çok küçük enerji oluşturmak için yeterlidir. Bunlar kütlesiz Bose- Einstein kuantumu olarak, su molekülünün kendi ekseni etrafında dönmesine etkisi olan yeni bir değişkendir. Kuantum alan teorisinde Nanbu-goldstone teorisi, herhangi bir yoğun ve devamlı simetrinin kendiliğinden kırılması sonucu, kütlesiz bir kuantum olan NGB oluşumuna imkân verir. Vakumlarda aynı yönde olan düzenlenmeden sapma, bir molekülden diğerine ardışık olarak, adeta dalga yayılması gibi aktarılır ve ilişki vakumlarda kendiliğinden simetri kırılması yapar.

Klasik fiziğin çok parçacığı ele alan, yerel olmayan, bütüncül ve eşdurumlu davranışı tanımlaması mümkün değildir. İleri derecede etkilenmeden kalma ve geniş ölçekli uyum durumu, termodinamik kanunlarına göre güçlü enerji girdisinin yokluğunda mümkün değildir. Oysa kristaller, süper iletkenler ve ferromanyetik dışarıdan enerji kaynağı olmadan yapılarını bozulmadan devam ettirirler. Bu maddelerin bunu nasıl yaptığı ancak kuantum alan teorisi ile açıklanabilir. Bellek için de aynı şey geçerlidir. Uzun süreli kalıcılığını devam ettirebilen ve tüm beyne geniş ölçekli olarak yayılabilen bellek, özelliğini kuantum alan teorisinin kurallarını işletmesinden alır. Dışarıdan gelen uyaranlar, eğer beynin zemin durumunda herhangi bir değişiklik yapmadan, kütlesiz Nambu-Goldstone bozonları oluşturuyorsa, bilinç oluşmadan bellek oluşur.

Sonsuz bir hacimde bozonlar kütlesiz olduklarından, en küçük bir enerji uyarıma neden olabilir. Buna karşın sonlu bir hacimde, NGB’ler sıfırdan daha büyük kütle kazanırlar. Uyarım enerjisi belli bir eşiğin üzerine yükseldiğinde, belleğin bilinçli kaydedilmesi gerçekleşir. Bu uyarılma durumlarının belli süreleri vardır ve günlük yaşamımızda deneyimlediğimiz “hatırlama”, “uyanıklık”, “farkındalık” ve “dikkat” odaklamada aynı durum devam eder. Ancak zemin durumdan uyarılmanın daima bir süresi vardır. Tıpkı yaşanılan deneyimlerin bir süre devam etmesi gibi. Kısa süreli bellek de benzer şekilde ele alınır. Kısa süreli belleğin farklı türlerinde, beyindeki farklı uyarılma seviyeleri devreye girer.

Kuantum alan teorisinin açıklayabildiği “bilinç-zihin” olayları:

Zihin/bilinç-beyin bağlantı sorunu

Bilinç birliği

Zihin içeriği, öznellik

Algoritmik olmayan bilgi işleme

Özgür irade

Bellek oluşturma, hatırlama ve unutma

Anestezik maddelerin bilinci geçici kaldırması

Hu ve Wu’nun Spin Aracılı Kuantum Bilinç Teorisi

Yüksek voltajlı hücre zarı içindeki eşleşmemiş çekirdek spinleri veya elektron spinleri bilinç için esas yerleşim yerleri olabilir.

Kuantum spin teorisine göre, bilinçli beynin çalışması özetle şu şekildedir: sinir hücrelerindeki aksiyon potansiyelleri denen iyon değişimlerinin neden olduğu zardaki iyonik elektriksel akımlar atom çekirdeği spin etkileşimleri ve paramanyetik O2/NO(nitrik oksit) ile ayarlanır. Hücre zarı proteinleri içindeki çekirdek spinleri farklı derecelerde kuantum etki ederek, sinir hücreleri ağı makroskobik yapısını etkilerler. Bu etki ile de görünen bedensel hareketler veya duyumlar meydana gelir.

KAYNAKLAR

www.kuantumbeyin.com www.neuroquantology.com www.genbilim.com www.tiptr.com http://archive.nqeprints.com Kuantum Beyin(Dr.Sultan Tarlacı) Dr.Sinan Canan