Büyük Beyin Patlaması

[shemuel]

Zamansal süreçte iki beyin büyüme patlaması gerçekleşmiştir. Bunlardan ilki 1.5-2 milyon yıl önce H.habilisin varlığı ile ilişkilendirilebilir. Daha az belirgin olan ikinci patlama  ise 500-200 bin yıl önce yaşanmıştır. Birinci patlamayla alet yapımı arsında ilişki kurulmuşsa da ikinci patlamayla, sanat ve alet yapımı arasında herhangi bir ilişki kurulamamıştır. Eski alet teknolojisini ve temel yaşam tarzlarını devam ettirmişlerdir. Oysa beyin büyümesinden bağımsız olarak arkeolojik verilere göre yaşanan iki önemli değişim H.sapiens sapiens'in ortaya çıktığı dönemde olmuştur. Bunlardan ilki 60-30 bin yıl öncesinde sanat, dinsel motiflerin ortaya çıkışı ve ikincisi ise 10 bin yıl önce başlayan tarım ve bununla ilişkili yerleşik hayata geçiştir. Her iki dönemde de beyin büyüklüğünde paralel bir artış gözlenmez.

Son iki milyon yılda insansı beynin bedene oranı belirgin artmıştır. Hem kesin hem de nispi beyin büyüklüğü zaman içerisinde Australopithecus türü  içinde artış gösterir. Yüzeysel bir bakışla bu artış basamaklı olarak seyreder. İlk büyük gelişim yaklaşık 2 milyon yıl önce H.erektusun görülmesi ile ortaya çıktı ve beyinleşme katsayısı hızla 5'e ulaştı. İlk milyon yıl içinde H.erektus beyin hacmi belirgin artışı göstermedi. H.sapiens'in görüldüğü çeyrek milyon yıl öncesinde ise beyinleşme katsayısı 6'ya yaklaştı. Bugünkü modern insanlarda da hemen hemen aynıdır. Bu vücudun her gramı için 6 kez daha fazla beyin kontrolü ve beyin demektir. Modern bir şempanzede ise ortalama değer 2,5'dur. Beyinleşme katsayısı artışıyla, alet yapma, diyet, göç özellikleri, ateşin kullanımı ve sosyal organizasyon arasında belirgin bir paralellik tespit edilmemiştir.

Bireyin birlikte yaşamayı tercih ettiği kişilerin sayısı arttıkça, yaşam biraz daha karmaşık hale gelir. Artan sosyal ilişkilerle baş edebilmek için daha fazla beyin gücüne ihtiyaç vardır. Bu düşünce Robin Dunbar tarafından öne sürülmüştür. Yaptığı çalışmalarla da, yaşayan primatlarda, grup büyüklükleri ile beyin büyüklüğü arasında doğrusal ilişki bulmuştur. Buna göre, beyin ağırlıkları göz önüne alındığında Australopithecus'ların 67, H.habilislerin 82, H.erektusların 111, H.sapiensin 131, Neanderthallerin 144 kişi içeren grup oluşturdukları tahmin edilmektedir. Çağdaş insanlar için ortalama 147,8 kişi (100-231 arası) olarak hesaplamıştır. Grup büyüklükleri, "bilişsel grup" denilen, yani bireyin gündelik hayatta birlikte olduğu kişilere karşılık, hakkında sosyal bilgiye sahip olduğu kişilerin sayısıyla ilgilidir. Grup büyüklüğünün türe özgü bir üst sınırı vardır. Hayvanlar, kendilerinin yeni beyin kabuklarının izin verdiği bilgi işleme kapasitesinin sınırının dışında bir grup büyüklüğü oluşturamazlar ya da oluştursalar da ilişkileri sınırlı kalır.


İnsanın Zihinsel Gelişim Aşamaları

İçsel Dünya: Bilişsellik
1. Nasıl yapılacağı ve neye yarayacağı konusunda karar verme
2. Nasıl yapılacağını öğrenme

Dışsal dünya: algılama ve hareket
1. Var olan çevreye uyum
2. Var olan çevreye katılan yeni bir şeyi fark etme
3.Eski çevre yetersiz olduğunda yeni bir çevreyi fark etme

İçsel ve dışsal dünyanın birleştirilmesi
1.Yeni durumların üstesinden gelme
2. Planlama ve amaçlar için işlevsellik
3. Dışsal deneyimle bilişsel işlevleri ayırabilme



Türler arasında, beyin farklılığını ortaya koymak için yeni beyin kabuğu (neokorteks) oranı en iyi karşılaştırmalı yöntemlerden birisidir ve grup üyesi artışı ile anlamlı doğrusal ilişki gösterir. İnsan beynindeki önemli bir farklılık yeni beyin kabuğu oranının diğer türlere göre fazla olmasıdır. İnsanlarda, yeni beyin kabuğunun beyin sap kısmına (medulla) oranı 105:1 iken, şempanzelerde bu oran 40:1'dir. Grup büyüklüğü yeni beyin kabuğu oranından şu formülle hesaplanabilir:

[shemuel]

Log[N,grup büyüklüğü]=0.093+3.389log.[Yeni Beyin Kabuğu Oranı].

İnsanlarda yeni beyin kabuğu oranı 4,1'dir. Bu diğer herhangi bir kuyruksuz maymunun maksimum değerinden %50 daha fazladır. Yukarıdaki denklemden, insan için grup büyüklüğü ortalama 147,8 (sınır 100-231) olarak tespit edilir. Şempanzelerde gözlenen grup büyüklüğü 53,5'dür. İnsanlar için bulunan 147,8 değeri ile oranlandığında 147,8/53,2=2,76 kat daha fazla insanda sosyalleşme bulunur.

Ama bulunan arkeolojik veriler bu savı destekler nitelikte değildir. Örneğin, Neanderthallerin "küçük gruplarla" yaşadıkları ve "sosyal farklılaşma eksikliği" olduğu gösteren kanıtlar vardır. Yine bulunan el ürünleri, toplu yerleşime işaret etmeyen gelişigüzel şekilde dağınıktırlar. İlk insanın beyin boyutları ve çevresel kanıtlar gelişmiş bir sosyal zekâyı desteklerken, arkeolojik veriler bunun tam tersini söyler: hiçbir sosyal yapısı olmayan ve küçük gruplardan oluşan topluluklar.

[shemuel]

Büyük Beyinli Olmanın Maliyeti

Beyin vücudumuzdaki en anti demokratik organdır. Aynı miktar kasın dinlenme sırasında gereksinim duyacağı enerjinin 22 katı enerji kullanır. Uyku veya istirahat haline bakmadan toplam vücut enerjinin %20'sini harcar. Her bir kalp atımında kan oksijeninin %20'sini alır. Oysa ağırlık olarak vücudumuzun yaklaşık %3'ünü oluşturur. Yeni doğan döneminde ise beyin vücut ağırlığının %10'unu oluşturmasına rağmen, toplam beden enerji kaynağının %60'ını tüketir. Dolayısıyla, daha büyük beyinlerin daha fazla yakıta ihtiyaçları vardır. Üstelik bu yakıtı yakarken ısınması da arttığı için, çok çalışan motor gibi soğutulması gerekir. Yalnızca 20C'lik artış bile beynin çalışmasını zorlaştırabilir. Bu soğutma sistemi damarsal yapı ile sağlanmaktadır ve gelişen beyinde yeni soğutucu damarsal yapılarda gelişmelidir. İnsanların çalışması ve hareketleri esnasında solunum artışından dolayı yüzdeki damarlar genişler ve yüz kızarır. Bu esnada ortaya çıkan ısıdan dolayı, damarların içindeki kanın soğutulması görevini, ağ şeklinde olan kafatası "radyatörleri" sağlar. Beyin için radyatörleri emissar olarak adlandırılan toplardamarlar oluşturur. Emissar damarlar, kafatasındaki kendilerine ait deliklerle beyindeki toplayıcı damarları kafa dışına bağlarlar. Kuyruksuz maymunlarla karşılaştırıldığında emissar toplardamarlar insanlarda daha yoğun bulunurlar. Bu sayede beynin ısısının artışı engellenerek, uygun bir ortamda çalışması sağlanır. Bu toplardamarların yoğunluğu A.africanus'dan H.sapiense doğru gelindiğinde belirgin artar. Bu da kafadaki soğutucu radyatörlere beyin büyüklüğü artışıyla daha da fazla ihtiyaç duyulduğunu, daha fazla soğutma gerektiğini ortaya koyar.

Büyümüş bir beyin tarafından kullanılan enerjiyi karşılamak için vücudun bir başka parçasının gereksinimlerinin azaltılması gerekmektedir. L.Aiello ve P.Wheeler primatlarda mide büyüklüğü ile beyin büyüklüğü arasında genel bir ilişki kurar. Buna göre, kalp ve karaciğer gibi organların boyutlarının küçültülmesi mümkün değildir ve seçilen organ midedir. Mideyi küçültmenin yolu da beslenmenin kalitesini bitkilerden ziyade enerji kalitesi yüksek olan et tüketimine çevirmektir. H.habilisin beyin hacminin büyük olması Australopithecus'lardan farklı olarak diyetinde etin de olduğunu düşündürmektedir.

Beyinin aşırı büyümesi sinir hücreleri arası ilişkiyi zorlar ve ileti zamanını arttırır. Dolayısıyla doğumdan sonra 3 kat büyüyen erişkin insan beyni maksimal işletim gücüne sahiptir. Bundan daha fazla büyümesi işletim gücünü sınırlar. Yani, modern insan büyüklük açısından  hemen hemen beyin gelişiminde yolun son aşamasındadır

[shemuel]

Beyin Büyüklüğü Neden Önemlidir?

Bir sivri farenin beyni bir filinkinin milyonda biri kadardır. Bu büyüklüğü sağlayan nedir? İlk olarak, uzun dendritler ve aksonlar aynı pasif kablo özelliklerini sürdürmek bu durumda problem olarak büyük beyinli olmanın önünde engeldir. İkincisi, sinir hücreleri ve destek olan glia hücrelerinin artmasıyla bir sinir hücresinin diğerine ulaşma ve ilişkiye geçme problemi ortaya çıkar. Her hedef yerde sinir hücrelerinin bağlantı sayısının artmasına ek olarak, diğer sinir hücreleri de bağlantıyı devam ettirmek için uzantılarını arttırır. Diğer bir çözüm de oransal olarak daha az sinir hücresi birbiriyle bağlantı kurmasıdır. Bunlarla ilişkili olarak beyin kabuğunda büyüklük artar, sinir hücresi ana uzantısı olan aksonların genişliğinde artışa ilave olarak sinir hücreleri de büyür. Dendritler ve aksonlar daha kalın hale gelir. Bu büyüme ile her sinir hücresinin diğeriyle olan bağlantısı orantısal olarak azalır. Uzak mesafelerde hücrelerin ilişki kurması zorlaşır.

Beyini ve hücrelerden oluşan kabuğu küçük tutmak da ayrı bir problemdir. Çünkü sinir hücresi sayısını, büyüklüğünü ve bağlantılarını işlevsel olarak ideal tutmayı gerektir. Eğer bu sağlanamazsa, bazı işlevsel sinir ağlarının ortadan kalkmasına neden olarak belli yeteneklerin kaybı oluşabilir.

Büyük beyinlerdeki sinir hücreleri, küçük beyinlilere göre daha büyük olmalıdır. Büyük beyinli olmak, büyük sinir hücresi anlamına gelmez. Büyük beyinlerde bazı sinir hücreleri ileri derecede küçüktürler. Beyincikteki granüler hücreler buna bir örnek teşkil eder. Daha büyük sinir hücreli beyinlerde beyin kabuğu doğal olarak daha kalındır. Bu kalın olma hücre büyüklüğüne ek olarak bağlantıların daha çok olmasının bir sonucudur. Beyin kabuğu kalınlığı artıkça sinir hücrelerinin paketlenme yoğunluğu azalır. Yani birim hacim başına düşen sinir hücresi sayısı azalır. Daha az paketlenme ile sinir hücreleri ideal sayıda komşu sinir hücresiyle ilişkiyi devam ettirmek için daha büyük dendritik dallanmaya gerek duyarlar. Tepe (apikal) dendritli kabuk piramidal hücreleri birçok kabuk tabakasından girdileri üzerinde toplar. Kabuk kalınlığının arttığı oranda dendritik uzunluk da artmalıdır.  Eğer sinir hücresinin dendritik çıkıntısı iki kat uzarsa, pasif elektriksel kablo özelliklerini devam ettirebilmesi için kalınlığının dört kat artması gerekir. Eğer, beyin kabuğu kalınlığı azalırsa dendrit kalınlığı, dendrit uzunluğuna göre çok daha belirgin bir azalma gösterir. Ancak bu esnek yetenekler tüm beyin hücrelerinde bulunmaz. Örneğin, bu nedenle hipokampus piramidal hücreleri uzunluğuyla birlikte kalınlığını da arttırır. Oysa granüler hücreler, yapıları gereği dendritik kalınlığını yeterince arttıramazlar. Benzer farklılıklar beyin kabuğundaki piramidal ve granüler hücrelerde de vardır.

Büyük beyinli ve büyük bedenli memelilerde, sinir hücreleri daha uzun ve daha kalın aksonlu olmalıdır. Aksiyon potansiyeli ya da sinir iletisi akson üzerinde saniyede 1 ila 70 metre hızında iletilir. Bu hız büyük oranda aksonun çapına ve dışını saran yağ yalıtımına (myelinizasyon) bağlıdır. Beyin büyüklüğü artışı ile sinir hücresi gövdesi ve hedef arasındaki akson uzunluğu iki kat artarsa, akson aynı iletim özelliklerini koruması için kesitsel kalınlığını 4 kat kadar arttırmalıdır. Fakat uzak yerler arasında iletişimi sağlamak için aksonun boyutunun artışı beyin hacminin de artmasına neden olur. Böylece daha uzun ve kalın aksona ihtiyaç duyulur. Aksonlar, alttaki ak madde de hesaba katıldığında yenibeyin kabuğu hacminin %67'sini oluştururlar. Böylece, basit bir hesapla, aksonda uzunluk olarak iki kat büyüme, kabuk hacminde 4 kat artışa neden olur. Ancak bu uzama da çözüm olmaz. Uzama ile ileti gecikmesi meydana geleceğinden aynı elektriksel özelliklerini korumak için akson çapının da artışına gerek duyulur. Bütün bunlardan ortaya çıkan sonuç belirgin olarak artan büyük bir beyine doğru yolculuktur. Olay bu kadarla da kalmaz, büyüyen hücre ve akson metabolik ihtiyaçları artışını da beraberinde getirir. Destek hücreleri olan ve hücrelerin yaşamı için vazgeçilmez glial hücrelerin de artması gerekir. Aynı zamanda kan akımının sağlanması için ek damarsal yapılara da gerek duyulur. Doğal olarak büyük beyinler, küçük beyinlere oranla daha çok glia hücresi içerirler. Bütün bunlar toplam beyin büyüklüğüne katılırlar. Beyin büyüdükçe büyür. Kısaca, akson genişliğinde orta derecede bir artış beyinin toplam büyüklüğü üzerinde ekonomik olarak epey maliyet yükler.

[shemuel]

Niçin Beyin Büyüklükleri Farklıdır?

Bu soruya basit bir yanıt işlevsel olarak daha iyi olması şeklindedir. Fakat büyük olması metabolik olarak bir maliyet getirir. Yarasalar bedenlerine göre büyük bir beyin taşırlar ve bu uçmaları için zorluk oluşturabilir. Bu nedenle bazen küçük beyinli olmak daha avantajlıdır. Beyin büyüklüğü farklılıkları, esasen farklı çevresel etkilere uyum sağlama ihtiyacının bir sonucudur.

Her zaman büyük beyinli olmak daha iyi uyum anlamına gelmez. Bir aslan, evinizdeki bir kedinize göre çok daha büyük beyinlidir (evcilleştirme beyin büyüklüğünü azaltır). Aslanlarda ve kedilerde beyin işlevleri aşağı yukarı aynıdır. Beyin kabukları da aynı işlevsel alanlardan oluşur. Genellikle, vücut büyüklüğü artışıyla orantılı olarak, yaklaşık 2/3 oranında beyin büyüklüğü de artar. Bu anlamda, büyük memelilerde büyük beyinli olmanın nedeni, yani kalan 1/3 fazladan artışın nedeni açık değildir. Eskiden yapılan açıklama, büyük bedenlerde daha çok çevresel duyargaların (reseptör) olması ve girdileri işlemek için daha çok sinir hücresi gerektiği şeklindeydi. Diğer bir açıklama da genlerden kaynaklandığıdır. Genler daha büyük beden yaptıkları gibi daha büyük beyin de oluşturabilirler. İlk düşünce, beyin büyümesi çevresel uyumla ilişkiliyken, ikincisi herhangi bir işlev yerine getirmeden büyüdüğünü ileri sürer. Evcilleştirilmiş memelilerin, vahşi atalarına göre daha küçük beyinli ve kabuklu olmaları hem genlerin hem de çevresel uyumun beraber etkisini göstermektedir. Kediler ve aslanlar işlevsel ve anatomik olarak benzer beyin kabuğu alanlarına sahip olabilirler. Ancak, aslanlar aynı alanlarda daha çok hücre içerirler. Aslanlardaki bu daha fazla hücre, orantılı olarak daha çok hücreler arası bağlantıya sahip olmasına rağmen, hücrelerin toplam sayısının oranına bakıldığında daha az bağlantılar içerirler. Beyin büyüklüğündeki farklılıklar, kedilerde ve aslanlarda yerel sinir ağlarını farklı kılar. Kaba anlamda bu ağ farklılıkları, aynı gibi görünmelerine rağmen, aslanın aslan gibi ve kedinin kedi gibi davranmasını sağlar. 

[shemuel]

Büyük Beyinli Olma Probleminin Çözümü

Daha büyük beyin kabuğu olan memelilerdeki hücrelerin diğer hücrelerle bağlantılarının daha fazla olduğu yönünde kanıt yoktur. Makak maymunlarında 30 kadar görme ile ilgili alan olduğu halde, küçük beyinli memelilerde 2-5 alan bulunur. Yine makak maymunlarının beyinleri, 10'dan fazla bedensel duyu, 12 kadar devinimsel alan içerir. Küçük beyinli memeliler bu alanlardan yalnızca birkaçı bulunur. Ama aynı yaşamsal işlevleri sürdürürler. Büyük beyinli memelilerde birincil görme alanı büyüktür ama yine de beklenen kadar büyük değildir. Orantısal olarak, insanlar sıçan ve farelere göre daha az birincil görme kabuğuna sahiptirler. Büyük beyinlerde alanlar arası bağlantılar her zaman yeterli değildir.

Kabuk alanlarının tümü işlevsel olarak tek tip değildir. Örneğin, görme kabuğundaki bazı hücreler, belli uzaysal yerleşim gösteren barlara yanıt verirken, bazıları harekete, bazıları ise renklere yanıt verir. Yani, alanlar kendi içinde alt bölgelere ayrılırlar (parçalar=modüller). Böylece ideal işlevini, en ekonomik şekilde yerine getirmeye çalışır. İşlevsel olarak benzer parçalar, benzer alanlarda toplanma eğilimi gösterirler. Bu şekilde ara bağlantılarda kısalma meydana getirilebilir. Görme alanlar, duyusal ve devinimsel alanlar yakın yerleşim gösterirler. Büyük beyinlerde, benzer alanları bir araya toplayarak, ara bağlantıların uzunluğunu kısaltma sağlanmış olur. Eğer bu alanlar arası yakınlaşma sağlanamıyorsa, en azından benzer işlevsel alanlar aynı yarıküre içinde tutulmaya çalışılır. İnsanlarda böyledir ve her iki beyin yarı küresi işlevsel olarak birbirinin "aynası" değildir. Tıpkı konuşma merkezlerinin (Broca ve Wernicke) sol beyin yarıküresinde yer alması gibi. Böylece bu iki alan arasında olması gereken anatomik ve işlevsel bağlantı olabildiğince aynı beyin yarı küresi içinde tutularak kısaltılır. Bu şekilde beynimizi olabildiğince küçük tutarak, enerji ve yer tasarrufu sağlanır.