Beynin çeşitli kısımlarını koordine edecek bir monarşi düzeni yoktur. Beynin çalışması, daha çok demokrasi ya da cumhuriyete benzer. Beynin çıktısı, çeşitli hücreler arası işbirliğinin bir sonucudur. Bireyselleşmemiş hücreler bütününden oluşur. Hepsi bir araya gelerek ortak bir beyin, zihin, bilinç, birey ve kişilik oluştururlar. Dolayısıyla indirgemeci her yaklaşım, beyinin bütüncül bazı özelliklerinin kaybolmasına neden olur. Bu nedenle bir sinir hücresine bakarak, kişiliği ve bilincinin parçalarını orada bulamayız. Edinebildiğimiz deneyimler de dahil diğer bütüncül özellikler, beynimizin en temel kısımlarının davranışlarına indirgenemez.

David Hume (1711-1776), algısal bütünlüğü açıklamada düştüğü sıkıntıyı bir şöyle dile getirir:
"Eğer algılar ayrı var oluşlar iseler, ancak bir araya bağlanmakla bir bütün oluştururlar. ...Ama ardışık algılarımızı düşüncemizde ya da bilincimizde birleştiren ilkeleri açıkça açıklamaya geldiğimde tüm umutlarım yitiyor. Bu noktada bana doyum veren herhangi bir kuram bulamıyorum. Kısaca, tutarlı kılamadığım iki ilke var; ne de hiç birinden vazgeçmeyi başarabiliyorum, ilki, tüm ayrı algılarımız ayrı var oluşlardır ve zihin ayrı var oluşlar arasında hiçbir zaman herhangi bir gerçek bağıntı algılamaz. ...Kendi payıma, bir kuşkusu olma ayrıcalığına başvurmam ve bu güçlüğün zihnim için çok ağır olduğunu kabul etmeme gerekiyor."

Birisini gördüğümüzde ya da sadece sesini duyduğumuzda ona ait birçok şeyi hemen hatırlarız. Davranış özeliklerini, mimiklerini, neye kızıp neyi sevdiğini, yürüyüş tarzını ve daha birçoğunu... Bu özellikler beynimizin farklı alanlarında ve beynimizin yapısı göz önüne alındığında nispeten uzak alanlarda saklanır. Ya gördüğümüz nesneler! Cisimlerin renkleri, kenarları, yüzey yapıları, hareketleri, derinliği ve daha başka özelliklerini aynı anda algılarız. Oysa bu özelliklerinin her biri temelde görme beyin kabuğunda yer almasına rağmen birbirinden farklı alanlara yerleşiktirler. O zaman bir elmaya baktığımızda onu renk, şekil, boyut ve hatta tadı, kokusuyla... Özellikleri ile aynı anda elma olarak nasıl algılarız? Beyin duygulanımları, algıları, düşünceleri ve hareketleri herhangi bir çaba harcamadan nasıl uyumlu senfoni şeklinde yönetir? Bunun altında yatan sinirsel mekanizma nedir? Beyinin uzak ve geniş alanlarına yerleşmiş farklı algılar ve hatıralar nasıl birleştirilir?

Doğada Bağlantılı Osilatörler
Sarkaçlı saatin mucidi Christian Huygens, 1665 yılında, yeni geliştirdiği yan yana asılı iki sarkaçlı saate gözlerini dikmiş bakarken, birdenbire tuhaf bir şey fark etti: iki sarkaç mükemmel bir eşzamanlılıkla (synchrony) salınıyordu. Ritimlerini bozmayı denedi. Yarım saat içinde tekrar eşzamanlı hale geldiler. Huygens, saatlerin belki de göremediğimiz bir şekilde birbirlerinin salınımına etki ettikleri düşüncesine kapıldı. Saatler birbirinden uzaklaştırıldığında, uyum yavaş yavaş bozuldu ve biri diğerinden geri kalmaya başladı. Bu rastlantısal gözlem "bağlantılı osilatörler" denen kuramın ortaya çıkmasına neden oldu.

Her yapının kendine özgü bir titreşimi vardır ve bunu kendine özgü titreşim frekansı belirler. Bir masanın iki ucuna konan özdeş diyapazonlardan birine vurulup titreştirilirse ve ardından durdurulursa, aynı sesin diğer diyapazonda devam ettiği görülür. İkinci diyapazon birinci ile rezonansa girerek titreşir.

Periyodik/tekrarlanan bir davranış içinde bulunan herhangi bir sistem bir osilatördür. Örneğin salınan sarkaç, düzenli aralarla uzayda aynı noktaya geri döner; ayrıca hızı da bir saat düzenliliği ile artar ve azalır. Yalnızca zaman içinde değil, faz uzayı (phase space) denen hareketi de osilatörler için önemlidir. Faz uzayı, koordinatları sistemin halini betimleyen bir uzaydır. Bir sarkacın faz uzayındaki hareketi, sarkacın değişik yüksekliklerden bırakıldıktan sonraki konum ve hızının saptanmasıyla çizilir. Faz uzaylarındaki bu yörüngeler, aynı hareket durmadan tekrarlandığından kapalı eğriler oluştururlar.

Tek bir osilatör, faz uzayında basit bir yörünge izler. Fakat iki ya da daha fazla osilatör birleşirse olası davranışlar çok daha karmaşık hale gelir. Bunu tanımlayan denklemler giderek hesaplanamaz hale gelir. Eşzamanlılık, bağlantılı osilatörlerin en bilinen biçimidir. Bu beyinleri oluşturan sinir hücreleri arasında, kalbin elektrik akımını oluşturmasında olduğu gibi, yaz aylarında dişileri çekmek amacı ile binlerce erkek ateş böceğinin hep birlikte, eşzamanlı yanıp sönmesinde de görülebilir. Erkek ateş böcekleri günün sonunda, kondukları ağaçlarda karmaşık bir biçimde, biri diğeri ile ilişkisiz olarak yanıp sönerler. Gece başladıkça eşzamanlılık adacıkları belirir. Gittikçe bu eşzamanlı adacıklar büyür. Sonunda, bütün ağaçlar, sessiz bir biçimde, eşzamanlı olarak yanıp söner. Etkileşme, ateş böceğinin bir diğerini görüp, ritmini ona göre değiştirdiğinde ortaya çıkar. Bu bir ağızdan ötüşen ağustos böceklerinde de görülür. Böyle bir ilişkiyi matematiksel olarak ifade etmek zordur. Ancak, doğada ve deneysel modellemelerde de yapılan sistemler, eninde sonunda bir araya geldiklerinde eşzamanlı olmaya başlarlar.

Eşzamanlılık, faz kilitlenmesi denen genel bir sonucun en belirgin özelliğidir; birçok osilatör aynı hareket modelini tekrarlar durur, fakat aynı fazda olmaları şart değildir. İki özdeş osilatör arasında bağlantı kurulduğunda yalnızca iki olanak vardır: faz farkının sıfır olduğu eşzamanlılık (synchrony) ve yarım fazlık bir farkın bulunduğu karşıt eşzamanlılık (anti- synchrony). Frekansları farklı osilatörlerden oluşan bir topluluğun davranışı, aralarındaki bağlantının kuvvetine bağlıdır. Etkileşimleri çok zayıf ise eşzamanlılığı başaramazlar. Sonuç, anarşi ve salınım kakofonisidir ya da bilimsel ifade ile uyumsuzluk(incoherence)tur. Bunun örnekleri de, kalpteki ritim bozuklukları ya da bazı sara nöbeti (epilepsi) tipleridir.

İnsanların ve hayvanların yürümeleri, koşmaları osilatörler arası karmaşayı önlemek için, sinir sisteminde bulunan "merkezi model üreticiler" tarafından denetlenirler. Bacaklar pasif mekanik osilatörler olmayıp, kendileri kadar karmaşık sinirsel mekanizmalarla kontrol edilen kemik ve kas sistemleridir. Hareketi kontrol eden sinir sistemindeki devrelerin yapısıdır. Bunlar sayesinde, dört ayaklı yürüme tavşanlarda olur. Tavşan sıçradığı zaman, önce ön ayaklarını, sonra arka ayaklarını birlikte hareket ettirir. İki ön ayak arasında sıfır, ön ve arka ayaklar arasında ise yarım fazlık fark bulunur. Filler ise, her adımda dört ayağından birini yerden kaldırır, ayak hareketleri arasında dörtte bir fazlık fark vardır. Gazeller ise dört ayakları eşzamanlı aynı anda sıçrarlar.

Eşzamanlılığın ortaya çıkışı işbirliği ile olur. Eğer bir kaç osilatör eşzamanlaşırsa, bunların toplu ve uyumlu sinyali, arka plandaki gürültünün üstüne yükselerek diğer osilatörler üzerinde daha kuvvetli bir etki yapar. Eşzamanlı olmuş çekirdeğe katılan diğer osilatörler, onun sinyalini kuvvetlendirir. Bu olumlu geri besleme, gittikçe hızlanan bir eşzamanlılığa yol açar. Bu eşzamanlılık, çok sayıda alt birimlerden oluşan sistemlerde istatistiksel mekanik ile incelenir. Doğada her düzeyde olan bu eşzamanlılık sinir hücreleri topluluklarında ve beyinde de vardır.

Sinir Ağları ve Toplulukları
Sinir ağları dağılmış sinirsel aktiviteyi anlamak için bize bir pencere açar. Sinirsel ağlar ya da topluluklar sinir hücrelerinin karşılıklı olarak birbiriyle bağlantı içinde olduğu yerel ağlar olarak tanımlanabilir. Daha iyi anlaşılması için bu karşılıklı sinirsel yerel ağlar bilgisayarların ağlar (network) aracılığıyla birbirine bağlanmasına benzetilebilir. Coğrafik olarak birbirinden uzak bilgisayarlar içlerindeki verileri kablolar aracılığıyla birbirleri arasında aktarırlar. Beyinde her bir bilişsel işlevin yerine getirilmesi esnasında belli sinirsel topluluklar ve ağlar görev alırlar. Sinir hücreleri toplulukları, seçici olarak bağlantılıdırlar ve daha alt sinir hücresi grupları ile ilişki içindedirler. Bu bağlantılar doğrudan (monosinaptik) veya dolaylı (polisinaptik) olabilir. Ancak her iki durumda da bağlantılar karşılıklıdır. Bir kaç istisna dışında, beynin tüm alanları karşılıklı ilişki içindedir. Yani, eğer A bölgesi B ile bağlantılı ise B bölgesinden de A'ya giden birçok bağlantılar vardır. Genellikle iki tip bağlantı olduğu kabul edilir. Birincisinde, karşılıklı bağlantılar aynı alanda veya ağın aynı seviyesinde yer alan beyin kabuğu alanı içinde yer alır. İkincisinde, farklı beyin bölgeleri arasındaki ağlar farklı seviyeleri bir birlerine bağlarlar. Bu tip bağlantılar geleneksel olarak ileri beslemeli (feed-forward) ve geri beslemeli (feed-back) olarak adlandırılır.
Beynin içerdiği sinir hücresi ağlarının uzanımları, uzaysal olarak farklı büyüklüklerde olabilir. Bazı ağların yapısı 1 cm2 alanı kapsarken, bazıları tüm beyine yayılabilir. Ağlarının uzanımına göre beyindeki eşdurumun uzanımı da belirlenir. Genelde yerel, geniş ve orta ölçekli eşdurum yaratan ağlar vardır. Bu bölgesel ağlar birleşerek geniş ölçekli "eşdurumlu beyin" yaratırlar.

Yerel Eşdurum Alanları
Burada öncelikle "yerel" nedir? sorusunun cevabını vermek gerekir. Uzaysal ölçekte 2 mm'den daha küçük olan, hücre mimarisi olarak paketlenmiş, uyarıcı ve baskılayıcı ara sinir hücrelerin kümelendiği yapılar yerel olarak adlandırılabilir. Genellikle bunlar beyin kabuğu sütunları (kortikal kolumn) olarak bilinir. Sütunların içerdiği sinir hücreler eşdurumda çalışma eğilimindedirler. Ara bağlantılar genellikle bu küçük alanlar içinde sınırlı değildir ve uzantılar bir kaç milimetre uzağa kadar ulaşabilir. Örneğin, birincil görme kabuğundaki sütunlar 2-7 mm ile birbirlerinden ayrılırlar ve alanlar birbirleri üzerine taşmaz. Bu sinir hücreleri benzer özellikler taşırlar ve eşdurumlu elektrik boşalımları göstermeye eğilimlidirler. Aralıklar açıldıkça eşdurumlu elektriksel boşalım ilişkileri bozulur. İnsan beynindeki yerel eşdurum, yaklaşık 1 cm alanda doğrudan (monosinaptik) bağlantılıları ile oluşur. İletinin merkezden çevredeki uç noktaya ulaşması 4-6 msan sürer.

Geniş Ölçekli Eşdurum
Geniş ölçekli eşdurumda sinir hücresi toplulukları (ağları) daha uzak bölgelerle ilişkiye geçerler. Geniş eşdurumlu alanlar 1 cm üzerindedirler ve ileti gecikmesi 8- 10 msan üzerindedir. Yerel alana göre nispeten uzun ileti gecikmesi olması, birden çok sinir hücresini içeren bağlantılardan (polisinaptik) oluştuğunu gösterir.

Geniş ölçekli eşdurumun kanıtları, yapılan EEG (elektroansefalografi) ve MEG (magnetoansefalografik) kayıtlamalarda ortaya konulmuştur. Sağlıklı kişilerde, yüzleri fotoğraflardan tanıma çalışmasında, uyaran verildikten 250 msan sonra eşdurum ortaya çıktığı tespit edilmiştir. Bu eşdurum tablosu, yüzler ters, ya da tanınması zor bir şekle sokularak gösterildiğinde ise kaybolur. Her iki durumda da, kişinin algılayıp algılamadığını bir el hareketi ile göstermesi istendiği esnada da 720 msan sonra yeni bir eşdurumun ortaya çıkar.

Uyanıklık ve dikkat verme esnasında, eşdurumun oluşumu üzerine yaygın çalışmalar vardır. Gamma eşdurumu (40-60 Hz), anestezi ile uyutma esnasında kaybolur. Ancak, uyanıklığın geri gelmesi esnasında, beyin sapı ağsı yapısı uyarılması ile daha belirgin hale gelir. Geniş ölçekli eşdurumun, farklı frekans bantlarında ortaya çıktığı ve her farklı frekansın da farklı boyutları eşdurumlu hale getirdiği öne sürülmektedir. Bu frekanslar, farklı kişilerin yaptıkları aynı davranışlar esnasında tekrarlı olarak ortaya çıkar ve karakteristik özfrekans (eigenfrequency) özel bir imza gibidir. Örneğin, el hareketi esnasında, önbeyin kabuğundaki gamma frekansı, duyusal beyin kabuğundaki beta (20 Hz) ile uyumlu olarak ortaya çıkar.

Mantıksal olarak düşünüldüğünde, eğer geniş ölçekli eşdurum beynin normal işlevinin bir göstergesi ise bu eşdurum bozulmasının işlevsel anormalliklere neden olması gerekir. Epilepside, kontrol dışı yerel ve kaynaktan, elektriksel yayılım başlar ve dakikalarca bu sürebilir. Parkinson hastalığında ise, el kaslarının temsiliyeti arasındaki, eşleşme bozukluğu ile titremenin ortaya çıktığı , şizofrenide ise hastaların parçalanmış bilişsel deneyimleri arasında eşzamanlı ilişki kurulamadığı öne sürülmüştür.

Orta ölçekli eşdurum
Mesoskala olarak da adlandırılan bu ölçek, birçok bilişsel olayın zamansal ölçeğidir. Beyin kabuğu hücrelerinin bazıları devreye girer ve ek devreye giren çevresel sinir hücreleri olmadıkça hedef hücreyi uyarmaları mümkün olmaz. Bu ölçekte, yerel hücre gruplarının etkileşimleri vardır. Doğal olarak bu seviyeyi anlamak, tek hücre seviyesindeki çalışmaları bir araya getirmekle mümkündür.

Beyindeki hemen her davranışsal yanıt ve duyusal algılama bir çeşit eşdurum içerisinde olur. Ancak, eşdurumlu ve geniş ölçekli olarak beynin bütünlüğünü gösteren en önemli kavram bellek oluşumu ve hatırlamadır. Bir eşdurum modeli olarak belleği ele alacağız. Bu şekilde beynin birçok veriye aynı anda nasıl ulaşabileceğini anlamaya çalışacağız.

Kuantumbeyin.com