Beynimizi oluşturan maddenin en ayrıntılı haritası

Sinirbilimciler ve mühendislerden oluşan bir araştırma takımı, makine öğrenim araçlarının da yardımıyla her bir nöronu, sinapsı, damarı ve destekleyici hücreyi takip ederek bir milimetre küp hacmindeki insan beyninin nano ölçek çözünürlüğündeki şemasını çıkarmış ve bu dokunun 3 boyutlu bir modelini yeniden oluşturdu. Toplam beyin hacminin yalnızca milyonda birini temsil etse de yeni görüntüler, insanlardaki beyin maddesinden alınan bir parçanın şimdiye kadar oluşturulmuş en detaylı haritasını teşkil ediyor. Sonuçlar nörolojik bozukluklar, beynin yapısı ve davranışlarımızın kökenleri hakkında bilimsel bir keşif dalgasına yol açabilir.

BİR MİNYATÜR

Populer Sciene Türkçe'de yer alan çalışmadaki kıdemli araştırmacılardan biri olan ve PopSci‘ye konuşan sinirbilimci, moleküler ve hücresel biyoloji profesörü Jeff Lichtman (Harvard Üni.), “Veri setimiz bir bakıma minyatür” diyor. “Fakat içerisine girdiğinizde küçük gibi gelmiyor ve devasa bir ormana benzediğini görüyorsunuz. Çok küçük bir orman ama çok, çok, çok karmaşık bir orman.”

Tüm bu karmaşıklık, bu kapsamlı beyin haritası parçasının veya “konektomun” tertibinin belgelendiği ve 9 Mayıs’ta Science bülteninde yayımlanan bir çalışmayla sergileniyor. İlk konektom bir nematod beynine aitti ve 1986 yılında tamamlanmıştı. Sinirbilimciler o zamandan beri gittikçe büyüyen ve karmaşıklaşan beyin planları çıkarmaya devam etti; bunlar arasında meyve sineklerinin, kurtçukların, bir iribaşın ve bir yer solucanının beyni de bulunuyor. Fakat insan beyinleri, çetrefilli ve erişilmesi zor oldukları için haritalama açısından benzersiz bir güçlük çıkarıyor. Bu yeni ve kısmi insan konektomu, herkesin keşfetmesi için internetten erişilebiliyor.

Yeni çalışmada yer almayan ve Thomas Jefferson Üniversitesinde çalışan sinirbilimci Tim Mosca, PopSci‘ye şöyle söylüyor: “Gördüğümüz şey etkileyici bir teknoloji marifeti olmakla kalmıyor, aynı zamanda dünya ile gerçekten paylaşmanın ve tüm bu bilimsel bilginin ortaya çıkarılmasının hedeflendiği bir araç ve kaynak niteliğini de taşıyor. Bu grup yapılan şeye bakmak isteyen, üzerinde düşünmek isteyen veya araştırmasında kullanmak isteyen herkesin yararlanabileceği tüm bu yeni araç ve veri hatlarını tasarlayarak harika bir iş çıkarmış.”

BEYİN PIZZASININ SUNUMU

Çalışmadaki örnek, ismi verilmeyen ve epilepsi ameliyatı geçiren bir hastadan on yılı aşkın süre önce alınmış. Ameliyatı yapan cerrah, temporal lobun küçük bir parçasını çıkararak alttaki bir lezyona erişip tedavi uyguladı. Bu dokuyu hızla muhafaza ederek, sonrasında bilim insanlarıyla paylaşmış. Parçanın toplam hacmi 1 milimetre küp olsa da parça küp şeklinde değil. Bunun yerine, “Kalın bir pizza parçası gibi; ama o kadar kalın değil” diyor Lichtman. Eninden daha uzun olan bu küt, üçgenimsi yığın, araştırmacıların 3 mm kalınlığındaki serebral korteksin altı katmanının tamamının bir bölümünü yakalamasına olanak sağladı.

Bu beyin pizzasının haritası çıkarılırken atılan ilk adım, özel olarak tasarlanan ve elmas bıçakla kesim yapan bir makine yardımıyla dokunun 5.019 ayrı en kesite dilimlenip banta yerleştirilmesi oldu. Araştırmacılar bundan sonra dilimlerin her birini bir elektron mikroskobuyla bir yıl boyunca titizlikle görüntülediler. Ardından bu dilimleri dijital olarak hizalayıp birleştirmiş ve birden fazla makine öğrenim aracı kullanarak oluşturulan 3 boyutlu formu doldurup, bileşenlerin her birini etiketleyerek renklendirmişler.

Segmentin nöron yoğunluğu, milimetre küp başına 16.000 nöron; çalışmaya göre aynı beyin kesitinin bundan önceki bir yoğunluk tahmininden yaklaşık üçte bir daha düşük ve bir fare beyninin benzer kesitinden 10 kat daha düşük yoğunlukta. Beyin dokusunu bir arada tutan bağlayıcı yapıştırıcı olan gliyal hücreler, parçada yer alan nöronların yaklaşık iki katı sayıda.

Bu beyin parçasının fiziksel boyutu ufak olabilir ancak detay seviyesi, haritalama çalışmasıyla yakalanan verinin devasa boyutta olduğu anlamına geliyor. Yeniden oluşturulan segmentin dijital boyutu 1,4 petabayt veya 1.400 terabayt (ortalama bir dizüstü bilgisayardan 2.800 tanesinin depolama kapasitesine eşit). İçerisinde keşfedilme potansiyeli bulunan 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 olmak gibi” diyor Lichtman. “Etrafınıza bakmaya ve yeni şeyler bulmaya devam edersiniz.”

Lichtman ve çalışmada yer alan pek çok araştırmacı, şimdiden bazı ilginç gözlemler yapmış. Haritasını çıkardıkları ~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. Bazıları (yaklaşık yüzde 3) ise 2 bağlantı yapmış. Fakat yüzde 0,01’den daha düşük bir kısmı dörtten fazla sinaps oluşturmuş. Bunlar arasında 50’den fazla noktaya bağlanan bazı aksonlar ve hedef hücreler de var.

“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 yaradığı sorusunun peşinden gidebiliriz.” 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.

Yeni gözlemlerin bir diğeri: Pek çok dentrit (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 yapıyorlar? Bilmiyoruz… Tümüyle bir gizem."

Bilim insanları, “akson sarmalı” adını verdikleri ve 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, her nöronda olmasa da bazı aksonların birden fazla düğüm içerdiğini söylüyor. Tekrardan söylemek gerekirse bu sarmalların işlevi ve sebebi bilinmiyor. “Böyle bir yapı bulmayı beklemiyorduk. Çok tuhaf… En başta bir kablonun amacına bir nevi ters düşen büyük bir kablo karmaşıklığı gibi. Amaç bir yerlere gitmek ve diğer şeylere temas etmektir.”

Bu üç bulgu muhtemelen buzdağının sadece görünen kısmı. “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.

Bu kısmi konektomdan kaynaklanan keşifler, bilimde büyük ve temel birer ilerleme olmalarının yanısıra nihayetinde beyin hastalıklarını daha iyi anlayıp tedavi etmemize de yardımcı olabilir. Projede yer almayan ve Princeton Üniversitesinde fizikçi ve sinirbilimci olarak çalışan Andrew Leifer, “İnsan beyinlerinin nöral bağlantılarını böylesine detaylı şekilde ölçme kabiliyeti, insan sağlığını ilerletmek bakımından heyecan verici olasılıklara kapı aralıyor” diyor ve şöyle ekliyor: “Sağlıklı bir beyin bir hastalıktan muzdarip olduğunda veya işlev bozukluğu sergilediğinde beynin bağlantı yapısının nasıl değiştiğini anlamak için farklı beyinlerin karşılaştırılması düşünülebilir.”

GELECEKTEKİ SINIRLARIN ZORLANMASI

Keşfedilecek çok fazla şey olduğu gibi sınırlar da var. Böylesine büyük ölçekli bir girişimin mümkün kılınmasında kilit önem taşıyan otomatikleştirilmiş makine öğrenim yöntemleri, insan nezaretinde düzeltilmesi gereken bir hata payı taşıyor. Düzenleme yapma işi devam edecek. Bu aynı zamanda isteyen herkesin katılmak için başvurabileceği bilimsel bir topluluk çalışması.

Bunun yanısıra numune, bir kişinin beyninin sadece ufak bir parçası. Lichtman’ın belirttiğine göre karşılaştırma yapacak daha fazla numune ve harita olmadan, bu tek parçaya dayanarak genel olarak insan beyinleriyle veya temporal lobun ötesindeki diğer beyin bölgeleriyle ilgili henüz sonuç çıkarılamayan pek çok şey var.

Ayrıca belki de en önemlisi, bu beyin segmentinin epilepsi ameliyatı olan birinden gelmiş olması; Jain ve Lichtman, “normal” bir beyni temsil etmiyor olabileceğini ve değerlendirecek daha fazla parçaya ulaşana kadar bunu kesin şekilde bilmenin hiçbir yolu olmadığını söylüyor. “Ancak bundan sonra birçok takip çalışması planlıyoruz” diye ekliyor Jain.

Araştırma takımı, insanların ek beyin numunelerini temsil eden birden fazla kısmi konektom oluşturmak istiyor. Ayrıca zebra balıklarının konektomu üzerinde de çalışıyorlar ve fare beyninin gitgide daha büyük segmentlerini ele almayı planlıyorlar. Memeli beyinleri de pek çok benzerlik paylaşıyor. Lichtman’ın söylediğine göre eksiksiz bir fare konektomu, kendi beynimizin yanısıra beynin hayvanlar genelindeki evrimine yönelik yeni fikirler sunabilir.

Şu anda kullanılabilir teknolojiler (ve etik sonuçlar) ile insan beyninin tam bir konektomunun “ulaşılması güç bir hedef” olduğunu söylüyor Lichtman. “O noktadan kelimenin tam anlamıyla bir milyon kat uzaktayız” diyor Jain. Fakat bilim insanları bu çalışma yoluyla o yönde ufak da olsa erken bir adım attı. Ayrıca 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.”