Sinirbilimciler ve mühendislerden oluşan bir araştırma ekibi, makine öğrenimi araçlarının yardımıyla, her bir nöron, sinaps, damar ve destekleyici hücreyi takip ederek, bir milimetre küp hacmindeki insan beyninin nano ölçek çözünürlüğündeki ayrıntılı şemasını çıkardı. Bu çalışma, beyin dokusunun 3 boyutlu bir modelini yeniden oluşturarak, toplam beyin hacminin yalnızca milyonda birini temsil etmesine rağmen, insan beyninden alınan bir parçanın şimdiye kadar oluşturulmuş en detaylı haritasını sunuyor. Elde edilen sonuçlar, nörolojik bozukluklar, beynin yapısı ve davranışlarımızın kökenleri hakkında yeni bilimsel keşiflere kapı aralayabilir.
BİR MİNYATÜR ORMAN
Popüler Science Türkçe’de yer alan çalışmada kıdemli araştırmacılardan biri olan ve Harvard Üniversitesi’nde moleküler ve hücresel biyoloji profesörü Jeff Lichtman, “Veri setimiz bir anlamda minyatür” diyor. “Fakat içerisine girdiğinizde küçük gibi görünmüyor; devasa bir ormana benzediğini görüyorsunuz. Çok küçük bir orman ama oldukça karmaşık.” Bu karmaşıklık, bu kapsamlı beyin haritası parçasının veya “konektomun” düzeninin belgelendiği, 9 Mayıs’ta Science bülteninde yayımlanan bir çalışmayla sergileniyor. İlk konektom, 1986 yılında tamamlanan bir nematod beynine aitti. O zamandan beri, sinirbilimciler meyve sinekleri, kurtçuklar, iribaşlar ve yer solucanları gibi daha karmaşık beyinler üzerinde haritalama çalışmaları gerçekleştirdiler. Ancak insan beyinleri, karmaşıklıkları nedeniyle haritalama açısından benzersiz zorluklar sunuyor. Bu yeni ve kısmi insan konektomu, herkesin erişimine açık bir şekilde internet üzerinden sunuluyor.
BEYİN PIZZASININ SUNUMU
Çalışmada kullanılan örnek, ismi verilmeyen ve epilepsi ameliyatı geçiren bir hastadan on yıl önce alınmış. Ameliyatı gerçekleştiren cerrah, temporal lobun küçük bir parçasını çıkararak alttaki lezyona ulaşmış. Hızla muhafaza edilen bu dokunun bilim insanlarıyla paylaşılması sağlanmış. Parçanın hacmi 1 milimetre küp olmasına rağmen, şekli küp değil. “Kalın bir pizza parçası gibi; ama o kadar kalın değil” diyor Lichtman. Bu üçgenimsi kütle, araştırmacıların 3 mm kalınlığındaki serebral korteksin altı katmanının tamamının bir bölümünü yakalamasına olanak tanıdı.
Bu beyin pizzasının haritasını çıkarmanın ilk adımı, özel olarak tasarlanmış bir makine yardımıyla dokunun 5.019 ayrı en kesitte dilimlenmesi ve banta yerleştirilmesiydi. Sonrasında, araştırmacılar her bir dilimi bir elektron mikroskobuyla titizlikle görüntüleyerek, bir yıl boyunca bu işlemi gerçekleştirdiler. Ardından, dilimler dijital olarak hizalanıp birleştirildi ve makine öğrenim araçları kullanılarak 3 boyutlu form dolduruldu. Her bir bileşen etiketlenerek renklendirildi.
- Segmentin nöron yoğunluğu, milimetre küp başına 16.000 nöron; bu, daha önceki bir yoğunluk tahmininden yaklaşık üçte bir daha düşük ve bir fare beyninin benzer kesitine göre 10 kat daha düşük.
- Beyin dokusunu bir arada tutan gliyal hücreler, parçada yer alan nöronların yaklaşık iki katı sayıda.
Bu beyin parçasının fiziksel boyutu ufak olsa da detay seviyesi, haritalama çalışmasıyla elde edilen verinin devasa boyutta olduğu anlamına geliyor. Yeniden oluşturulan segmentin dijital boyutu 1,4 petabayt veya 1.400 terabayt; bu, 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 oranlar ve şekiller, her bir kortikal katmanın bileşimi ve daha fazlası.
YENİ BİR ADA ÜZERİNDE KEŞİF
Lichtman, “Yeni bir adaya düşen bir kâşif olmak gibi” diyor. “Etrafınıza bakmaya ve yeni şeyler bulmaya devam edersiniz.” Lichtman ve çalışmada yer alan pek çok 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 kurmuş. Bazı aksonlar ise (yaklaşık yüzde 3) iki bağlantı yapmış. Ancak yüzde 0,01’den daha düşük bir kısmı, dörtten fazla sinaps oluşturmuş.
- Bu bağlantılar arasında 50’den fazla noktaya bağlanan bazı aksonlar ve hedef hücreler 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 araştıracağız.” 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, 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 Viren Jain, bazı aksonların birden fazla düğüm içerdiğini belirtiyor. “Böyle bir yapı bulmayı beklemiyorduk. Çok tuhaf… Bu, 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 doğası nedeniyle, baskı öncesi haliyle ilk yayınlandığı günden beri projeye 200’den fazla makalede atıf yapılmış.
BİLİMDE YENİ BİR DÖNEM
Bu kısmi konektomdan kaynaklanan keşifler, bilimde büyük ve temel ilerlemelerin yanı sıra, nihayetinde beyin hastalıklarını daha iyi anlamamıza ve tedavi etmemize 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. “Bu sayede, sağlıklı bir beyin ile bir hastalıktan muzdarip olan beyin arasındaki bağlantı yapısının nasıl değiştiğini anlamak için farklı beyinlerin karşılaştırılması mümkün olabilir.”
GELECEKTEKİ SINIRLARIN ZORLANMASI
Keşfedilecek çok fazla şey olduğu gibi, bazı sınırlar da mevcut. Böylesine büyük ölçekli bir girişimin mümkün kılınmasında kilit önem taşıyan otomatikleştirilmiş makine öğrenim yöntemleri, insan nezaretinde düzeltilmesi gereken bir hata payı taşıyor. Düzenleme yapmak ise halen devam ediyor. Ayrıca, bu çalışma, isteyen herkesin katılmak için başvurabileceği bir bilimsel topluluk çalışması niteliği taşıyor.
Bu arada, numune, yalnızca bir kişinin beyninin ufak bir parçası. Lichtman’a 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 kesin sonuçlar çıkarmak mümkün değil. “Ancak bundan sonra birçok takip çalışması planlıyoruz,” diyor Jain.
Araştırma takımı, insanların ek beyin numunelerini temsil eden birden fazla kısmi konektom oluşturmayı hedefliyor. Ayrıca zebra balıklarının konektomu üzerinde de çalışıyorlar ve fare beyninin gitgide daha büyük segmentlerini incelemeyi planlıyorlar. Memeli beyinleri pek çok benzerlik taşıdığı için, Lichtman’a göre eksiksiz bir fare konektomu, kendi beynimizin yanı sıra beynin hayvanlar genelindeki evrimine yönelik yeni fikirler sunabilir.
Şu anda mevcut olan 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 aracılığıyla o yönde ufak da olsa bir adım atmış durumda. 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.”
