Glutamat Reseptörleri Çocuklarda Matematik ve Okuma Yeteneğinin Beyinsel Temelini Açıklayabilir

Bir öğrenme ve anı için önemli olan bir beyin sinyal sistemi ile çocukların matematik ve okuma becerilerini destekleyen beyin yapısı arasında bağlantı olduğu, Nature Communications‘de yayımlanan bir çalışma ile ortaya kondu. İki çocuk grubunda, gri madde hacminin akademik becerilerle en yakın şekilde ilişkili olduğu beyin bölgeleri, genellikle glutamate adlı kimyasal habercisine tepki veren NMDA reseptörleriyle zengindi.

Bilim insanları uzun zamandır matematik ve okumanın tek bir “matematik bölgesi” ya da “okuma bölgesi”nden çok, beyin bölgelerinden oluşan ağlara dayandığını biliyor. Ancak bu ağların gelişimiyle beyinin kimyasal sinyal sistemleri arasındaki ilişki daha az anlaşıyor.

Araştırmacılar, iki sistemin özellikle ilgili olmasını bekliyordu: beyinin başlıca uyarıcı kimyasal habercisi glutamate ve başlıca baskılayıcı habercisi GABA; çünkü bu iki sistemin dengesi öğrenme için önemli görülüyor. Glutamateye tepki veren, beyin hücrelerinin üzerinde bulunan proteinler olan NMDA reseptörleri, plastisitede—nöronlar arasındaki bağlantıların deneyimle değişip güçlenebilme özelliğinde—önemli bir rol oynar.

Önceki çalışmalar, glutamate ve diğer nörotransmitter seviyelerini akademik becerilerle ilişkilendirmiş olsa da, genellikle beyinin seçili bölgelerine odaklanmışlardı. Yeni çalışma ise farklı kimyasal reseptörlerin beyin genelindeki dağılımının, çocukların matematik ve okuma becerileriyle ilişkili yapısal kalıplarla uyumlu olup olmadığını sorguladı.

Stanford Üniversitesi’nden Yuan Zhang önderliğinde araştırmacılar, 7 ile 14 yaşları arasındaki 991 normal gelişimli çocuğun beyin yapı taramaları ve akademik test puanlarını analiz etti. İlk örneklem, Child Mind Institute’ın Healthy Brain Network adlı büyük bir araştırma veri setinden alınan 760 çocuktan (ortalama yaş 9,7; 275 kız) oluşuyordu. Bulgular, ardından Stanford’da yürütülen çalışmalarlardan seçilen bağımsız 231 çocukluk (ortalama yaş 9,2; 98 kız) örneklemiyle test edildi.

Çocuklar, sayısal hesaplamalar, matematiksel problem çözme, kelime okuma ve metin anlama alanlarında standartlaştırılmış testleri tamamladı. Araştırmacılar, yaş etkisini hesaba katarak daha güçlü akademik başarı ile ilişkili desenleri belirlemek için 218 beyin bölgesinde gri madde hacmini inceledi. Ardından bu desenleri, 19 farklı nörotransmitter reseptörünün ve taşıyıcının beyin genelinde tipik dağılımını gösteren, PET taramalarına dayanan mevcut bir atlas ile karşılaştırdı.

Bu 19 sistemden NMDA reseptörleri en tutarlı bulguyu verdi. Her iki çocuk grubunda da gri madde hacminin matematik ve okuma performansı ile daha güçlü şekilde ilişkili olduğu bölgelerde NMDA reseptörlerinin yoğunluğu daha yüksek eğilimindeydi. Bu ilişkiler mütevazı düzeydeydi; NMDA reseptörü dağılımı, beyin bölgeleri arasındaki varyansın %8 ile %20’sini açıklıyordu.

Dopamin, asetilkolin, serotonin ve GABA içeren diğer kimyasal sistemler daha zayıf veya tutarsız bulgular üretti. Asetilkolin ve histaminin matematik için gösterdiği bazıları, bir örnekte ilişki gösterirken diğerinde göstermediği için NMDA reseptörleri, her iki beceri için her iki grupta da tekrarlanan tek sistem oldu.

Akademik beceriler arasında ayrıca farklar vardı. Matematik için NMDA reseptörü dağılımı; default mode, salience (dikkat çekicilik) ve yüksek dereceli görsel ağlar dahil olmak üzere birkaç beyin ağı boyunca yapısal desenlerle uyum gösterdi. Okuma için her iki örnekte de geçerliliğini koruyan ilişki ise, yazılı kelimeleri tanıma açısından önemli bölgeleri içeren yüksek dereceli görsel işlemeyle ilgili bir ağ içinde yoğunlaştı.

Matematik ve okuma puanları güçlü şekilde korelasyon gösterdi ve ek analizler, NMDA ilişkilerinin çoğunlukla her iki beceri tarafından paylaşılan beyin yapısını yansıttığını öne sürdü. Araştırmacılar, glutamat ile ilgili sinyalleşmenin, beceriye göre biraz farklı beyin sistemleri aracılığıyla ifade edilen, akademik öğrenmenin ortak bir biyolojik özelliği olabileceğini öne sürüyor.

Zhang ve arkadaşları, “NMDA reseptör dağılımı, iki bağımsız kohortta hem matematik hem de okuma becerileri için beyin yapusal örgütlenmesiyle güçlü ve alan seçici ilişkiler gösterdi” şeklinde özetledi.

Bazı sınırlamalar belirtilmelidir. Araştırmacılar bu çocuklarda NMDA reseptörlerini ya da glutamati ölçmediler. Bunun yerine, reseptör haritaları 1.200’den fazla sağlıklı yetişkinden elde edilen önceki görüntülemelerden alınmış ve çocukların beyin yapılarıyla karşılaştırılmak üzere bir başvuru olarak kullanılmıştır; nörotransmitter sistemleri gelişim sırasında değiştiğinden yetişkin haritaları çocukların beyinlerini doğru şekilde yansıtmayabilir.

Analiz, reseptörleri bireysel çocuklarda ölçmek yerine beyin bölgeleri arasındaki örüntüleri karşılaştırdığından, daha fazla NMDA reseptörüne sahip çocukların matematik veya okumada daha başarılı olduğunu göstermez. Çalışma ayrıca kesitsel niteliktedir ve yalnızca 7 ile 14 yaşları arasında normal gelişim gösteren çocukları içermektedir, bu nedenle glutamat iletimi bu becerilerin gelişimini şekillendiriyor olup olmadığını ortaya koyamaz.

“Glutamatergik iletim, çocuklarda matematik ve okuma becerileri için beyin yapusal örgütlenmesinin temelindedir” başlıklı çalışma, Yuan Zhang, Hyesang Chang, Dawlat El-Said ve Vinod Menon tarafından kaleme alınmıştır.