Sinir sistemi, vücudun iç ve dış ortamından gelen duysal bilgileri alan, işleyen ve bu işlemler sonucunda algı, duygu, düşünce ve davranış yanıtlarını üreten hayati bir sistemdir. Temelde merkezî sinir sistemi (MSS) ve çevresel sinir sistemi (ÇSS) olmak üzere iki ana bölüme ayrılır. Merkezî sinir sistemi beyin ve omurilikten oluşurken, çevresel sinir sistemi bu merkezi vücudun geri kalanına bağlayan ağları kapsar. Efferent (motor) ve afferent (duysal) sinirlerin merkezî sinir sistemine giriş veya çıkışları omurilik ya da beyin sapı düzeyinde gerçekleşir.
Omurilik ile bağlantılı olan çevresel sinirlere spinal sinirler adı verilirken, beyin sapı seviyesindeki sinirlere kafa sinirleri veya kafa çiftleri denir. Duysal sinyaller deri, kas, eklem gibi vücut dışı yapılardan kaynaklanabileceği gibi göz, kulak, burun gibi duyu organlarından veya damar ve iç organlardan da gelebilir. Organlara ait sinirlere visseral duysal sinirler, vücut dışı yapılardan kaynaklananlara ise somatik duysal sinirler denir.
Merkezî sinir sisteminden çevre yapılara sinyal taşıyan motor sinirler iki ana kola ayrılır: İskelet kaslarına sinyal taşıyan somatik motor sinirler ve iç organlara sinyal taşıyan otonom sinirler. Otonom sinirler de kendi içinde sempatik ve parasempatik olmak üzere iki dala ayrılır. Çevresel sinir sisteminin afferent bölümü bilgiyi merkeze taşırken, efferent bölümü merkezden yanıt organlarına uyarı aktarır. Merkezî sinir sisteminin temel rolü bu iki yönlü ileti arasında bütünleştirmeyi sağlamaktır.
Sinir sisteminde haberleşmeyi sağlayan temel hücresel bileşen sinir hücresidir (nöron). Sadece insan beyninde 100 milyardan fazla sinir hücresi bulunduğu tahmin edilmektedir. Nöronları diğer hücrelerden ayıran en belirgin özellik, elektrokimyasal sinyal iletimini gerçekleştirebilme yetenekleridir. Hücre gövdesinde (soma) çekirdek, sitoplazma ve organeller bulunur; ayrıca nöronlar dendrit ve akson adı verilen iki farklı uzantıya sahiptir.
Dendritler (Yunanca ağaç anlamına gelen déndron kelimesinden türetilmiştir), diğer sinir hücrelerinden gelen sinyalleri alan ağaç dallarına benzer dallanmalardır. Aksonlar ise hücre gövdesinden çıkan ve sinyalleri diğer hücrelere aktaran uzun kablolardır. Akson uçları düğme şeklinde genişleyerek uç düğmelerini oluşturur ve kimyasal habercileri bu noktalardan salgılar. Kasları kontrol eden sinirler vücudun en uzun aksonlarına örnek teşkil eder.
Bazı aksonlar miyelin adı verilen yağ içeriği yüksek bir kılıfla sarılmıştır ve miyelinli lifler olarak adlandırılır. Miyelinli liflerde akson boyunca miyelinli alanlar arasında ranvier boğumları bulunur. Sinyaller bu boğumlarda yeniden oluşarak sıçrayıcı karakterde ilerler ve iletitiyi büyük ölçüde hızlandırır. Ayrıca sinir lifinin çapı arttıkça ileti hızı da artar. Nöronlar yapısal olarak unipolar, bipolar, sahte unipolar, multipolar ve aksonsuz nöronlar şeklinde sınıflandırılır.
Merkezî sinir sisteminde nöronların yanı sıra nöroglia adı verilen ve sayıları nöronlardan onlarca kat fazla olan destek hücreleri bulunur. Bu hücreler sinirsel iletinin kalitesini, hızını artırma ve bağışıklık yanıtlarına aracılık etme gibi kritik görevler üstlenir.
Oligodendroglialar merkezî sinir sistemindeki aksonların miyelin kılıfını oluşturur. Bu hücrelerin etkilendiği bir bozukluk olan multiple skleroz (MS) hastalığında miyelin kaybı sonucu sinirsel ileti aksar ve motor, duysal, bilişsel ve duygusal işlevlerde bozulmalar görülür. Çevresel sinir sistemi dışındaki aksonların miyelin kılıfı ise Schwann hücreleri tarafından yapılır.
Astrositler, sinir hücrelerinin gereksinim duyduğu iyon ve molekül dengesini sağlar, yeni bağlantıların oluşumunu düzenler ve kandan beyne madde geçişini kontrol eder. Epandim hücreleri ise beyin omurilik sıvısının (BOS) yapımından sorumludur. Mikroglialar ise merkezî sistemdeki bağışıklık yanıtlarına aracılık eder.
Sinir hücreleri elektrikse ve iyonik yoğunluk dinamiklerine bağlı olarak uyarılabilen ve uyarıyı iletebilen hücrelerdir. Dinlenim durumundayken hücre zarının iç ve dış yüzeyi arasında hücre içi her zaman negatif olacak şekilde yaklaşık -70 mVolt'luk bir potansiyel farkı vardır; buna zar dinlenim potansiyeli denir. Dinlenim durumunda sodyum (Na+) ve klor (Cl-) hücre dışında, potasyum (K+) ve negatif yüklü proteinler ise hücre içinde daha fazladır.
Hücrenin uyarılmasıyla açılan kanallar pozitif yüklü iyonların içeri girmesini sağlar; bu durum dinlenim zar potansiyelini azaltarak depolarizasyona yol açar. Potansiyel farkının tekrar dinlenime dönmesine repolarizasyon, dinlenimden daha da negatifleşmesine ise hiperpolarizasyon denir. Uzun mesafelerde eksilmeden ilerleyen elektriksel sinyaller için aksiyon potansiyeli adı verilen özel bir depolarizasyon şeklinin oluşması gerekir.
Aksiyon potansiyelleri 'ya hep ya hiç' yasasına göre gerçekleşir; eşik değer aşıldığında uyaran şiddeti ne kadar artarsa artsın aksiyon potansiyelinin büyüklüğü değişmez. Sodyum kanallarının açılmasıyla yükselen faz (depolarizasyon), potasyum kanallarının açılıp sodyumun kapanmasıyla alçalan faza (repolarizasyon) dönüşür. Miyelinli liflerde ranvier boğumları sayesinde iletim sıçrayıcı ve çok daha hızlıdır.
Sinir hücreleri arasında iletiyi sağlayan özelleşmiş bağlantı bölgelerine sinaps (kavşak) denir. İki nöronun birbirine yakınlaştığı zarların arasında kalan dar aralığa sinaptik aralık adı verilir. Sinyali ileten nörona ait zara sinaps öncesi zar, alıcı nörona ait zara ise sinaps sonrası zar denir. Akson uçlarındaki keseciklerde bulunan nörotransmiterler, hücre içine kalsiyum (Ca2+) girmesiyle sinaptik aralığa salınır.
Sinaptik aralığa salınan nörotransmiterler sinaps sonrası zardaki özgül reseptörlerle etkileşime girerek hücrede elektriksel veya kimyasal yanıtlar oluşturur. Kimyasal sinapsların yanı sıra, iyon geçişine izin veren kanalların karşılıklı durduğu ve nörotransmiter salgısı olmaksızın çok hızlı iyon geçişi sağlayan elektriksel sinapslar da mevcuttur.
Sinaptik düzeyde haberleşme gerçekleşip ileti sağlandıktan sonra iletişimin kesilmesi kritik önem taşır. Nörotransmiterler enzimler tarafından parçalanabilir, reuptake (geri alım) yoluyla salgılandığı hücreye geri alınabilir, reseptörüyle birlikte hücre içine alınabilir ya da astrositler tarafından tutularak parçalanabilir.
Akson uçlarından salınan kimyasal haberci moleküllere nörotransmiter denir. Nörotransmiterlerin etkisini belirleyen hedef hücredeki reseptör alt-tipleridir. Aynı nörotransmiter farklı reseptörlere bağlanarak zıt etkiler gösterebilir; örneğin dopamin D1 reseptörüne bağlandığında hücre uyarılırken, D2 reseptörüne bağlandığında baskılanır. Reseptörün etkinliğini başlatan moleküllere agonist, engelleyenlere ise antagonist denir.
Beyindeki temel uyarıcı nörotransmiter glutamat, temel baskılayıcı nörotransmiter ise GABA'dır. Glutamat öğrenme ve hafıza için hayati önem taşırken aşırı salınımı nöronlar için toksiktir ve hücre ölümüne yol açabilir. GABA ise hiperpolarizasyona neden olarak aksiyon potansiyeli olasılığını düşürür; alkol ve endişe azaltıcı ilaçlar GABA yollarıyla etki gösterir.
İlk keşfedilen nörotransmiter olan asetilkolin iskelet kasları, otonom sinir sistemi ve hafıza devrelerinde etkilidir; Alzheimer hastalığında bu nöronların eksildiği görülür. Amin yapılı nörotransmiterler olan dopamin (ödül, hareket, şizofreni), serotonin (duygu-durum, depresyon, iştah) ve norepinefrin (uyanıklık, dikkat) beyin sapından salgılanarak yaygın etki gösterir.
Omuriliğin enine kesitinde ortada sinir hücresi gövdelerinden oluşan gri cevher, bunun etrafında ise miyelinli aksonlardan oluşan ve beyne inen/çıkan yolları barındıran beyaz cevher yer alır. Gri cevherin ön boynuzunda somatik motor nöronlar bulunur. Omurilik, duysal ve motor sinyaller için geçiş yolu oluşturmasının yanı sıra omurilik refleksleri gibi istemsiz motor yanıtların bütünleştirildiği merkezdir.
Refleks yayı; duysal reseptör, afferent (duysal) nöron, refleks merkezi, efferent (motor) nöron ve yanıt organından oluşur. Tek sinapslı reflekslere kas gerim refleksi (patella), çok sinapslı reflekslere ise geri çekme refleksi örnek gösterilebilir. Bu mekanizmalar en basit düzeydeki bütünleştirme örnekleridir.
Arka ve orta beyinden oluşan beyin sapı; omurilik, serebellum ve ön beyin arasında kritik geçiş ve bağlantı bölgesidir. 12 çift kafa sinirini barındırır. Retiküler aktive edici sistem (RAS) beyin sapından kortekse uyarıcı sinyaller göndererek uyanıklığı ve dikkati kontrol eder; bu sistemin bağlantısı kesilirse organizma kalıcı komaya girer.
Talamusun altında yer alan hipotalamus, otonom sinir sistemini, hormon sistemini, vücut ısısını, sıvı dengesini ve sirkadyen saati kontrol eden merkezi bir ön beyin bölgesidir. Beyin ile çevresel sistemler arasındaki bağları kurarak iç dengeyi (homeostazi) korur. Yeme, içme, cinsel davranışlar, korku ve öfke tepkilerinde etkindir.
Hipotalamus, hipofiz bezi ile doğrudan bağlantılıdır. Arka hipofizden salgılanan oksitosin (uterus ve süt kanallarının kasılması) ve vazopressin (su geri emilimi) aslında hipotalamustaki nöronlar tarafından sentezlenir. Ön hipofizden salgılanan 6 farklı hormon ise yine hipotalamusun salgılatıcı faktörleri tarafından kontrol edilir.
Stres anında aktifleşen hipotalamus-hipofiz-böbrek üstü bezi ekseninde, hipotalamus CRH salgılar, ön hipofiz ACTH salgılar ve böbrek üstü kabuğundan kortizol salgılanır. Negatif geribildirim (negative feedback) mekanizmasıyla kandaki hormon seviyeleri sabit bir aralıkta tutulur. Ayrıca pineal bezden salgılanan melatoninin günlük ritmini de hipotalamus düzenler.
Otonom sinir sistemi çevresel sinir sisteminin istemsiz çalışan; kalp kası, düz kaslar ve salgı bezlerini kontrol eden bölümüdür. Kendi içinde sempatik ve parasempatik olmak üzere iki kola ayrılır ve hedef organlar üzerinde zıt etkiler gösterirler.
Parasempatik sistem dinlenme durumunda aktiftir; sindirim faaliyetlerini artırır ve anabolik (yapıcı) özelliği ön plandadır. Sempatik sistem ise 3K kuralı (korku, kavga, kaçma) ile özetlenen tehlike durumlarında aktifleşir. Kalp atışını hızlandırır, göz bebeklerini büyütür, sindirimi baskılar ve katabolik (yıkıcı) etkiler gösterir.
Böbrek üstü bezinin çekirdeği sempatik sisteme dahildir ve uyarldığında kana adrenalin salgılayarak tüm organizmayı 'kaç ya da savaş' yanıtına hazırlar. Otonom sinir sistemi çevrede yer almasına rağmen merkezî sinir sisteminden gelen sinyallerle kontrol edilir.
Orta hatta bulunan çok çekirdekli bir yapı olan talamus, koku hariç tüm duysal sinyalleri, motor ve bilişsel bilgileri işler, bütünleştirir ve beyin kabuğuna (kortekse) aktarır. Korteks ile talamus arasında karşılıklı çift yönlü haberleşme bulunur.
Limbik sistem; hipokampus, amigdala, hipotalamus ve çevreleyen kortikal yapılardan oluşan; duyguların oluşumu, ilişkili hafızalar ve güdülenmeden sorumlu bir devredir. Hipokampus, bildirimsel (dekleratif) belleğin pekiştirilmesinde ve kısa süreli belleğin uzun süreli belleğe dönüştürülmesinde birincil rol oynar. Hipokampus hasarı anterograd amneziye (yeni bilgi kaydedememe) yol açar.
Amigdala ise özellikle korku, öfke ve duygusal ifadelerin tanınması gibi duygusal süreçlerde ve koşullanmış korku yanıtlarında kritik rol oynamaktadır. Amigdalanın çift taraflı çıkarılması Kluver-Bucy sendromuna (korkunun kaybolması, abartılı merak) neden olur.
Beyin sapının arkasında yerleşen serebellum (beyincik), dengenin sağlanması, göz hareketlerinin kontrolü ve hareketlerin hız, sınır ve kuvvet yönünden koordine edilmesinde görevlidir. Planlanan hareketle gerçekleştirilen hareket arasındaki hataları saptar. Alkolün denge bozucu etkisi serebellum üzerindeki etkisinden kaynaklanır. Serebellum ayrıca dans etmek ve müzik aleti çalmak gibi motor becerilerin öğrenilmesinde etkindir.
Striatum, pallidum, subtalamus ve substantia nigra olmak üzere 4 ana yapıdan oluşan bazal gangliyonlar, hareketin planlanması, programlanması ve zamanlanmasında beyin kabuğuna yardımcı olur.
Substantia nigradan striatuma giden dopaminerjik yolların hasar görmesi Parkinson hastalığına yol açar. Parkinson hastalarında kaslarda sertlik, harekete başlamada güçlük ve dinlenme durumunda titreme görülür; tedavi için L-DOPA verilir. Bazal gangliyonlar ayrıca motivasyon, planlama ve dikkat süreçlerinde de rol oynar.
Beyin kabuğu, her iki yarım küreyi saran 2-3 mm kalınlığında, girintili (sulkus) ve çıkıntılı (girus) gri cevher örtüsüdür. Kıvrımlar sayesinde yüzey alanı genişlemiştir. Mikroskobik olarak 6 yatay tabakadan (neokorteks) ve dikey kolonlar şeklinde modüler bir yapıdan oluşur. Derin sulkuslarla frontal, pariyetal, oksipital ve temporal olmak üzere 4 ana loba ayrılır.
Kortekste duyu sinyallerinin ulaştığı duysal alanlar, istemli hareketlerin başlatıldığı motor alanlar ve bu bilgileri işleyip bütünleştiren asosiasyon (ilişkilendirme) alanları bulunur. Karmaşık bilişsel işlevler, algılama ve düşünme bu ilişkilendirme alanlarının ortak çalışmasıyla gerçekleşir.
Frontal lobda istemli hareket komutlarının çıktığı birincil motor korteks (motor homunkulus ile vücut temsili), hareketin planlandığı ön-motor alanlar ve yargılama/gelecek planlaması yapan prefrontal ilişkilendirme alanı bulunur. Phineas Gage vakası prefrontal korteksin kişilik ve sosyal kurallardaki rolünü kanıtlayan tarihi bir örnektir.
Vücuttan ve duyu organlarından gelen sinyaller talamus üzerinden ilgili birincil duysal alanlara ulaşır: Görme korteksi oksipital lobda, işitme korteksi temporal lobda, somatik ve tat duyuları ise pariyetal lobdaki somatik-duysal kortekste yer alır.
Somatik-duysal kortekste vücut yüzeyi bir harita şeklinde temsil edilir. Bu haritada parmak uçları, dudaklar ve yüz gibi dokunma hassasiyeti en yüksek olan ve daha çok reseptör barındıran bölgeler çok daha geniş alan kaplar; buna somatik-duysal homunkulus denir. Gerçek vücut ölçüleri ile orantılı değil, hassasiyet ve reseptör yoğunluğuyla orantılıdır.
Birincil duysal alanların hemen dışında yer alan ikincil duysal alanlarda (tek duyu ilişkilendirme alanları) duyunun renk, biçim, doku gibi farklı özellikleri işlenir. Arka ilişkilendirme alanı ise tüm duyulardan gelen bilgiyi bütünleştirerek algı ve dil becerilerinde özelleşir.
Beynimiz vücudu çapraz olarak kontrol eder; sol taraf sağ beyne, sağ taraf sol beyne bağlanır. Beyin yarım kürelerinin farklı fonksiyonlarda uzmanlaşmasına lateralizasyon denir. Sol yarım küre dil, matematik ve analitik düşünme gibi işlevlerde uzmanlaşmışken; sağ yarım küre uzaysal ve mekânsal oryantasyon, yüzleri tanıma ve müzik alanlarında baskındır.
İki yarım küre yüz milyonlarca sinir lifinden oluşan korpus kallosum aracılığıyla sürekli iletişim halindedir. Epilepsi tedavisinde korpus kallosumun kesildiği ayrık beyin hastalarında, sağ görsel alana iletilen nesneler adlandırılabilirken, sol görsel alana (sağ beyne) gelen nesneler dil işlevi solda olduğu için adlandırılamaz ancak sol elle gösterilebilir.
Dil işlevleri %95 oranında sol beyinde gelişmiştir. Broca alanı (frontal lobda konuşma motor kalıpları) hasarında kişi dili anlar ancak konuşamaz (Broca afazisi); Wernicke alanı (arka ilişkilendirme alanında dil kavrama ve anlamlandırma) hasarında ise kişi akıcı konuşur ancak anlam taşımaz ve söyleneni anlamaz (Wernicke afazisi). Sağ arka pariyetal lob hasarlarında sol tarafı yok sayma (neglect) sendromu görülür.
Bilişsel psikoloji, insanların bilgiyi nasıl kazandıklarını, depoladıklarını, işlediklerini ve uyguladıklarını inceleyen psikolojinin alt dalıdır. 1967 yılında Ulric Neisser'in 'Bilişsel Psikoloji' kitabıyla resmen başlamıştır. Bilgi; algılama, dikkat, bellek, dil, problem çözme ve karar verme süreçleriyle işlenir.
Bilişsel psikolojinin temel varsayımları şunlardır: İnsan beyni bilgi-işlem yapan (çevresel girdileri sembolik dönüştürüme sokan) bir sistemdir, insan beyni yapısal ve kaynak açısından sınırlı kapasiteye sahiptir ve insanlar aktif olarak bilgi işler. Davranışlar aşağıdan yukarıya (çevresel girdiyle başlayıp yukarı çıkan) ve yukarıdan aşağıya (geçmiş yaşantı, beklenti ve bilgilere göre şekillenen) işlemlerle meydana gelir.
İşlevselci yaklaşım insan davranışını zihinsel işlevler ve bilgi işlem kapsamında açıklarken, materyalist yaklaşım beyin ve zihni bir tutarak nöroanatomi ve nörokimya temelinde ele alır. Bilgisayardaki donanım-yazılım ilişkisi beyin-zihin ilişkisini açıklamakta sıklıkla kullanılır.