Beynimizdeki desenleri oluşturan üniversal dinamikler nelerdir?

Hayat çeşitli mikro organizmaların yüzdüğü dengeli bir Brown hareketinden (her yöne rassal şekilde eşit dağılımlı), sisteme enerji verilmesi dolayısı ile denge dışına çıkan,  kendi içerisinde dinamik ve karmaşık bir sistem oluşturan mikro organizmaların birlikteliğinden ortaya çıkmıştır.  Brown hareketinde sistem termal dengededir, ısı alışverişi yoktur.

Şekil 1

Hayat daima, varolan karmaşıklığı artırma yönünde hareket eder. Bir organizmanın canlılığı, onun karmaşıklığı artırma kapasitesi ile ölçülmektedir. Karmaşıklık arttıkça, kaos da artmaktadır, günün birinde kaos o kadar çok artacak ki ısıl ölüm gerçekleşecek. Hayattaki karmaşıklık artarken, canlı ve cansız oluşumlar, karmaşık ve tekrarlanan desenler oluşturur.

Şekil 2 - Karmaşık desenler

Bilgisayar biliminin öncüsü ve ünlü matematikçi Alan Turing, biyoloji üzerine yazdığı tek makalesinde, kimyasal reaksiyonların doğal olarak var olan karmaşık kalıpları nasıl üretebileceğini varsaydığı bir morfogenez teorisi önerdi. Turing, morfogenezin arkasındaki mekanizmayı teorileştiren ilk kişiydi. Bir embriyonun uzuvları, kemikleri ve organları oluşturup şekillendirebileceği süreci taklit etmek için matematiksel bir model önerdi. Turing'e göre, özdeş biyolojik hücreler, hücreler arası reaksiyon-difüzyon adı verilen bir süreçle farklılaşabilir, şekil değiştirebilir ve modeller oluşturabilir. Bu sözde Turing desenleri, çizgilerden, spirallerden bitkiler ve hayvanlar üzerindeki kıvrımlara kadar her yerde bulunur. Bir kimya veya biyokimya perspektifinden, benzersiz morfogenez yapıları, difüzyon oranlarındaki dengesizlikler kararlı bir sistemi küçük bozulmalara duyarlı hale getirdiğinde ortaya çıkabilir. Turing, bu modelden altı farklı modelin ortaya çıkabileceğini tahmin etti.

Şekil 3: Turing'in 6 deseni

                                            Şekil 4: Turing'in morfogenez modelleri

Son yıllarda, nanoteknoloji konusunda çok değişik ve farklı bilimsel çalışmalar yapılmaktadır. Bu çalışmalar, farklı materyal ve mikroorganizmaların, denge dışına sürüldüklerinde, kendi kendilerine oluşturdukları sistemleri yeniden organize edebildiklerini ve değişikliklere cevap verdiğini göstermiştir. Bu çalışmalar, hidrojeller, polimerler, miktotübüller, E.Coli bakteriler, insan hücreleri ile yenilenmiş ve her birinde de benzer gelişmeler izlenmiştir. Dinamik adaptif koloidal kristaller, doğrusal olmayan ve güçlü stokastik sistemler (rassallık) altında, dengeden uzak koşullarda,  çok sayıda desen oluşturabilmektedir (altıgen, kare, eğik kafesler ve Moiré desenleri). Hangi koşulda hangi desenin oluştuğunu açıklamak üzere universal bir matematiksel modelleme henüz daha oluşturulamamıştır. Makey ve diğerlerinin çalışması (2020), sisteme verilen lazer enerji kaynağı, yönü ve hareketinin, desenlerin oluşumunda etkili olduğunu deneylerle açıklayabilmiştir[1].

Doğada varolan pek çok canlı ve cansız organizmanın oluşumunda, enerji kaynağının yönü ve hareketi farklı desenlerin oluşumunu gerçekleştirir. Doğada bulunan spiral şekillerin matematiksel modellemesi fibonacci sayıları ile yapılabilmektedir.

Şekil 5- Doğadaki tekrarlayan desenler

İnsan beynini oluşturan dikey piramitlerin matematiksel modellemesi veya ağaç yapıları, Kardar- Parisi- Zhang evrenselliği ve matematik modellemesi ile açıklanabilmiştir.

Şekil 6- Doğadaki dikey piramitler ve ağaç desenleri

İnsan beynindeki nöronların birlikteliğinden oluşan minikolonlar, dikey piramitler halinde Kardar- Parisi-Zhang matematiksel modellemesine uyarak korteksi oluşturmakta, spiral yapısına ve Fiboancci sayıları matematiksel modellemesine uyarak sağdan sola ve arkadan öne doğru çocukluktan yetişkinliğe doğru gelişmektedir.

Şekil 7 : İnsan beynindeki minikolon yapıları

Şekil 8- İnsan beyninin fibonacci sayılara göre gelişimi

Ancak, son 10-30 yılda ne olduysa olmuş, beynin gelişimindeki dikey piramit ve spiral desenlerinin, enerji kaynağının yönünü/şiddetini değiştirmesi veya diffüzyon reaksiyonu sebebi ile farklı desenler oluşturma sıklığı insan popülasyonunda artmıştır.

Şekil 9- Verilen enerjiye göre (lazer ışını) değişen mikroorganizma desenleri

Şekil 10 - Otizmde minikolonların oluşturduğu desenler

Bu farklı oluşumların temelinde, hücrelerin yaşaması için gerekli enerjinin (ATP) tüm hücrelere eşit bir şekilde ulaşmaması, araya giren farklı katalizörler aracılığı ile farklı diffüzyon reaksiyonu göstermesi  yatıyor olabilir.

Griffiths ve diğerlerine (2017) göre, mitokondri, omurgalı ökaryotik hücrelerde aerobik enerji üretiminden birincil olarak sorumlu olan organellerdir. Ek olarak, kalsiyum homeostazında ve sinyallemede, apoptozun düzenlenmesinde ve reaktif oksijen türleri (ROS) oluşumunda önemli bir rol oynarlar. Merkezi sinir sistemi (CNS) vücudun metabolik ihtiyacının% 20'sini oluşturduğundan ve gelişen nöronlar kritik gelişimsel süreçler için oksidatif fosforilasyona bağlı olduğundan, olgunlaşmamış beyin biyoenerjetik kapasitedeki kusurlara karşı benzersiz bir şekilde savunmasızdır. Bu nedenle, ortaya çıkan çalışmaların mitokondriyal bozuklukların çeşitli nörogelişimsel bozukluklara katkıda bulunabileceğini veya bunlara neden olabileceğini öne sürmesi şaşırtıcı değildir. Mitokondriyal disfonksiyon, hücrelere gerekli enerjinin üretimi ve otizm arasında potansiyel bir bağlantı olduğunu gösteren kanıtlar bulunmaktadır. Mitokondrinin, doğuştan gelen ve adaptif immün yanıtlarda, inflamasyonda ve enfeksiyona yanıt olarak sinyal vermede rol oynadığı bilinmektedir. Bununla birlikte, mitokondriyal disfonksiyonun bağışıklık sistemini veya otizmdeki inflamatuar yanıtı nasıl etkilediği bilinmemektedir. Dahası, bu tür mitokondriyal bozuklukların otizmle ilişkili nöroinflamasyona neden olup olmadığı ve gelişen beyindeki bu tür enflamasyonun ASD fenotipine katkıda bulunup bulunmadığı bilinmemektedir.

Bağışıklık sistemi bozulduğunda, otonom sinir sistemi parasempatik veya sempatik sinir sisteminden birisine doğru kayış gösterir veya her iki durum arasında hızlı şekilde gidip gelir. Otonom sinir sisteminin parasempatik veya sempatik bölümlerinin aşırı çalışması, beynin gelişmesinde alışageldiğimiz desenlerin (spiral ve dikey piramitler)  oluşumunda ve gelişmesinde farklılık yaratıyor olabilir.

Şekil 8- Otonom Sinir sistemi - Casanova Webinar 2020

Şekil 9- İnsanda parasempatik ve sempatik otonom sistem

Başka bir iddia, evrendeki karmaşıklığın ve entropinin artması sebebi ile dünyanın da titreşimi ve entropisi sürekli artmaktadır. Bundan dolayı,  üzerinde yaşayan tüm canlılar etkilenmektedir. Entropi ve karmaşıklığın artışı, insanda sempatik otonom sisteminin  çalışmasını artırmış olabilir. Sempatik otonom sisteminin hızlanması, bağışıklık sistemini etkilemiş olabilir.

Sempatik sinir sisteminin aşırı çalışması, kalp ritminin artışına, sindirim sisteminin yavaşlamasına ve korteksin aşırı gelişmesine sebep olabilir. Kalp ritminin artışı insan bedenini, dünyanın artan entropisine ayarlamış olabilir.

Parasempatik sistemin aşırı çalışması, kalp ritminin azalmasına, sindirim sisteminin çalışmasının hızlanmasına ve korteksin daha yavaş gelişmesine sebep olabilir.

Sebebi ve oluşumu nasıl oluşursa oluşsun, insan beyni dinamik adaptif, kendi kendini yenileyebilen ve düzenleyen karmaşık bir sistemdir. Sisteme düzenli bir şekilde enerji verildiğinde, kendisini tamir etme potansiyeline sahiptir. İnsan vücüduna verilen enerji, güneş ışınları, doğru beslenme, ve bağışıklık sisteminin düzeltilmesi sayesinde oluşur. Dinamik adaptif karmaşık sistemler, pozitif ve negatif geribildirim ile geliştirilip yeniden düzenlenebilir.Nörogeribildirim veya beyin/bilgisayar arayüzleri doğru kullanıldığında, insan beynini zaman içerisinde sağaltabilecek online/gerçek zamanlı geri bildirimi sağlayan mekanizma olabilir.

Referanslar

Makey, G., Galioglu, S., Ghaffari, R., Engin, E. D., Yıldırım, G., Yavuz, Ö., ... & Güngör, K. (2020). Universality of dissipative self-assembly from quantum dots to human cells. Nature Physics, 1-7.

Griffiths, Keren K, and Richard J Levy. “Evidence of Mitochondrial Dysfunction in Autism: Biochemical Links, Genetic-Based Associations, and Non-Energy-Related Mechanisms.” Oxidative medicine and cellular longevity vol. 2017 (2017): 4314025. doi:10.1155/2017/4314025

Casanova M. & Casanova E., "How the autonomic nervous system may govern anxiety in autism", Autism Research Institute webinar, 2020

Lengyel, I., & Epstein, I. R. (1992). A chemical approach to designing Turing patterns in reaction-diffusion systems. Proceedings of the National Academy of Sciences, 89(9), 3977-3979.