İnsan Beyninin Detaylı Haritası Çıkartıldı
Sinirbilimciler ve mühendislerden oluşan bir araştırma takımı, makine öğrenimi araçlarının yardımıyla, insan beyninin bir milimetre küplük bir hacmindeki nöronları, sinapsları, damarları ve destekleyici hücreleri takip ederek, bu dokunun nano ölçek çözünürlüğünde detaylı bir şemasını çıkarmayı başardı. Elde edilen bu görüntüler, insan beyin maddesinden alınan bir parçanın şimdiye kadar oluşturulmuş en detaylı haritasını temsil ediyor. Bu çalışma, nörolojik bozukluklar, beynin yapısı ve davranışlarımızın kökenleri hakkında önemli bir keşif dalgasına yol açabilir.
BİR MİNYATÜR ORMAN
Populer Science Türkçe’de yer alan çalışmanın kıdemli araştırmacılarından biri olan ve Harvard Üniversitesi’nde moleküler ve hücresel biyoloji profesörü Jeff Lichtman, “Veri setimiz bir bakıma minyatür” diyor. “Fakat içerisine girdiğinizde küçüklüğünü hissetmiyorsunuz; tam tersine devasa bir ormana benzediğini görüyorsunuz. Çok küçük bir orman ama oldukça karmaşık bir yapı.”
Tüm bu karmaşıklık, bu kapsamlı beyin haritasının parçasının veya “konektomun” düzeninin belgelendiği ve 9 Mayıs’ta Science dergisinde yayımlanan bir çalışmayla sergileniyor. İlk konektom, 1986 yılında tamamlanan bir nematod beynine aitti. O zamandan bu yana sinirbilimciler, meyve sinekleri, kurtçuklar, iribaşlar ve yer solucanları gibi pek çok canlı türünün beyinlerini haritalamaya devam etti. Ancak insan beyinleri, karmaşıklığı ve erişim zorluğu nedeniyle haritalama açısından özel bir zorluk sunuyor. Bu yeni ve kısmi insan konektomu, herkesin erişimine açık internet üzerinden keşfedilebilir durumda.
BEYİN PIZZASININ SUNUMU
Çalışmada yer alan örnek, ismi verilmeyen ve epilepsi ameliyatı geçiren bir hastadan on yılı aşkın süre önce alınmış. Ameliyatı gerçekleştiren cerrah, temporal lobun küçük bir kısmını çıkararak alttaki lezyona ulaşmış ve tedavi uygulamış. Bu dokuyu hızla muhafaza ederek sonrasında bilim insanlarıyla paylaşmış. Parçanın toplam hacmi 1 milimetre küp olsa da, şekli küp değil. “Kalın bir pizza parçası gibi; ama o kadar kalın değil” diyor Lichtman. Eninden daha uzun olan bu küt, üçgenimsi yapı, araştırmacıların 3 mm kalınlığındaki serebral korteksin altındaki altı katmanın tamamının bir bölümünü incelemesine olanak sağladı.
Bu beyin pizzasının haritasını çıkarmak için atılan ilk adım, özel olarak tasarlanmış ve elmas bıçakla kesim yapan bir makine kullanarak dokunun 5.019 ayrı en kesitte dilimlenip banta yerleştirilmesiydi. Daha sonra araştırmacılar bu dilimlerin her birini bir elektron mikroskobu ile titizlikle görüntülediler. Ardından, bu dilimleri dijital olarak hizalayıp birleştirerek, birden fazla makine öğrenim aracı kullanarak oluşturulan 3 boyutlu formu doldurup, bileşenlerin her birini etiketleyip renklendirdiler.
Segmentin nöron yoğunluğu, milimetre küp başına 16.000 nöron olarak belirlendi; bu da çalışmaya göre daha önceki bir yoğunluk tahmininden yaklaşık üçte bir daha düşük ve bir fare beyninin benzer kesitinden 10 kat daha düşük. Beyin dokusunu bir arada tutan gliyal hücreler, parçada bulunan nöronların yaklaşık iki katı sayıda bulunuyor.
Bu beyin parçasının fiziksel boyutu küçük olabilir, ancak detay seviyesi, haritalama çalışmasıyla elde edilen verinin devasa boyutta olduğunu ortaya koyuyor. Yeniden oluşturulan segmentin dijital boyutu 1,4 petabayt veya 1.400 terabayt (ortalama bir dizüstü bilgisayardan 2.800 tanesinin depolama kapasitesine eşit). İçerisinde keşfedilmeyi bekleyen pek çok şey var: Tekil nöral devreler, daha önce gözlenmemiş hücresel oran ve şekiller, her bir kortikal katmanın bileşimi ve daha fazlası. “Yeni bir adaya düşen bir kâşif gibi” diyor Lichtman. “Etrafınıza bakmaya ve yeni şeyler bulmaya devam edersiniz.”
ÖNEMLİ GÖZLEMLER
Lichtman ve çalışmada yer alan birçok araştırmacı, şimdiden bazı ilginç gözlemler yapmış. Haritasını çıkardıkları yaklaşık 150 milyon sinaps arasında, özellikle güçlü olan nadir bir bağlantı tipi keşfetmişler. Vakaların büyük çoğunluğunda (yüzde 96,5) aksonlar (nöronların gidiş yönündeki iletim hattı), hedefteki bir hücreyle bir bağlantı oluşturmuş. Ancak yaklaşık yüzde 3’ü iki bağlantı yapmış. Yüzde 0,01’den daha düşük bir kısmı ise dörtten fazla sinaps oluşturmuş. Bunlar arasında 50’den fazla noktaya bağlanan bazı aksonlar ve hedef hücreler de bulunuyor.
“Her zaman belli hücreler arasında süper bağlantılar olacağına yönelik bir kuramımız vardı” diyor Mosca. “Fakat bunu kanıtlayacak çözünürlüğe hiç erişememiştik… Artık var olduğunu biliyoruz ve ne işe yaradığını araştırmaya başlayabiliriz.” Lichtman’ın mevcut hipotezine göre, bu fazladan pekiştirilmiş bağlantılar, iyi oturmuş, öğrenilmiş eylemler için “beynin otomatik şekilde kullanılmasını” mümkün kılan bir tür hiper hızlı güzergâh sunuyor.
Yeni gözlemlerin bir diğeri: Pek çok dendrit (nöronların genelde girdileri alan, dallanan uzantıları), birbirini aynalıyor gibi görünüyor; sonsuz sayıda üç boyutlu olasılıktan yalnızca iki yönsel dizilimin birinde simetrik şekilde yöneliyor. “[Daha önce] hiç böyle bir şey görmemiştik” diyor Lichtman. “Bunu neden yaptıklarını bilmiyoruz… Tümüyle bir gizem.” Bilim insanları, “akson sarmalı” adını verdikleri, uzun akson kabloların kendi etraflarına dolanıyor gibi göründüğü, henüz açıklanmamış yeni bir yapı daha keşfetmiş. Çalışmanın eş kıdemli yazarı ve Google’da şirketin Connectomics araştırma takımına öncülük eden kıdemli ekip üyesi Viren Jain, bazı aksonların birden fazla düğüm içerdiğini belirtiyor. “Böyle bir yapı bulmayı beklemiyorduk. Çok tuhaf… En başta bir kablonun amacına ters düşen büyük bir kablo karmaşıklığı gibi. Amaç bir yerlere gitmek ve diğer şeylere temas etmektir.”
Bu üç bulgu, muhtemelen buzdağının yalnızca görünen kısmıdır. “Veri seti o kadar büyük ki, bir insan veya laboratuvar grubu tamamını keşfedemez” diyor Lichtman. “Bunu sadece bir insan grubu yapabilir.” Projenin açık tabiatı sebebiyle, baskı öncesi haliyle ilk yayınlandığı günden beri projeye 200’den fazla makalede atıf yapılmış.
GELECEKTEKİ SINIRLARIN ZORLANMASI
Keşfedilecek çok fazla şey olduğu gibi bazı sınırlamalar da mevcut. Bu büyük ölçekli girişimin mümkün kılınmasında kilit önem taşıyan otomatikleştirilmiş makine öğrenim yöntemleri, insan nezaretinde düzeltilmesi gereken bir hata payı taşımaktadır. Düzenleme yapma işi devam ediyor. Ayrıca, isteyen herkesin katılmak için başvurabileceği bilimsel bir topluluk çalışması olarak da dikkat çekiyor.
Ancak bu örnek, bir bireyin beyninin yalnızca ufak bir parçasını temsil ediyor. Lichtman’a göre, karşılaştırma yapacak daha fazla örnek ve harita olmadan, bu tek parçaya dayanarak genel olarak insan beyinleriyle veya temporal lobun ötesindeki diğer beyin bölgeleriyle ilgili henüz kesin sonuçlar çıkarmak mümkün değil. Ayrıca, bu beyin segmentinin epilepsi ameliyatı olan birinden gelmesi, “normal” bir beyni temsil etmiyor olabileceği anlamına geliyor; değerlendirecek daha fazla parçaya ulaşana kadar bunu kesin şekilde bilmek mümkün değil. “Ancak bundan sonra birçok takip çalışması planlıyoruz” diye ekliyor Jain.
Araştırma takımı, insanlara ait ek beyin numunelerini temsil eden birden fazla kısmi konektom oluşturmayı hedefliyor. Ayrıca zebra balıklarının konektomu üzerinde de çalışmakta ve fare beyninin giderek daha büyük segmentlerini ele almayı planlıyorlar. Memeli beyinleri, pek çok benzerlik taşımaktadır. Lichtman’a göre, eksiksiz bir fare konektomu, kendi beynimizin yanı sıra, beynin hayvanlar genelindeki evrimine dair yeni bilgiler de sunabilir.
Şu anda mevcut teknolojiler (ve etik sonuçlar) ile insan beyninin tam bir konektomunun “ulaşılması güç bir hedef” olduğunu belirtiyor Lichtman. “O noktadan kelimenin tam anlamıyla bir milyon kat uzaktayız” diyor Jain. Ancak bilim insanları bu çalışma ile o yönde ufak da olsa erken bir adım attı. En küçük kapı deliği bile büsbütün bir bilgi evrenine giden bir portal olabilir. “İnsanların bunu Hubble ve James Webb teleskobu gibi düşünmesini isterim” diyor Lichtman. “Bilinmeyen bir alana doğru bakıyoruz ve bu alan, bizimle uzaktaki dış uzaydan çok daha alakalı. Her birimizin omuzlarında taşıyıp kullandığı ama hakkında neredeyse hiçbir şey bilmediğimiz iç uzay.”
