Derinlemesine: İnsan beyninin küçücük bir bölümü akılalmaz bir şekilde haritalandı

Harvard ve Google‘dan bilim insanlarının liderliğindeki bir grup, insan beyninin tek bir milimetre küpünün 3 boyutlu haritasını oluşturdu. Bir milimetre küp beyin dokusu kulağa pek bir şey üzere gelmeyebilir. Lakin bu küçük karenin 57.000 hücre, 230 milimetre kan damarı ve 150 milyon sinaps içerdiği ve bunların 1.400 terabayt (veya 1.4 milyon gigabayt) data manasına geldiği düşünüldüğünde başarılan şeyin muazzam olduğu anlaşılıyor.

Şimdiye kadarki en büyük 3D beyin haritası

Jeremy R. Knowles Moleküler ve Hücresel Biyoloji Profesörü Jeff Lichtman liderliğindeki Harvard takımı, bir pirinç adedinin yarısı büyüklüğündeki bir temporal korteks kesimindeki her hücreyi ve temas ağını canlı detaylarla göstererek bugüne kadarki en büyük 3D beyin haritasını oluşturdu. Bu, şu anda insan beyninin şimdiye kadar oluşturulmuş en yüksek çözünürlüklü resmi.

İnsan beyninin var olan en karmaşık şey olduğunu söylemek aslında pek de abartılı değil. Kafatasınızın içinde birbirine 100 trilyon sinapsla bağlı yaklaşık 86 milyar nöron bulunuyor.

Bu kadar detaylı bir harita oluşturmak için takımın doku örneğini 5.000 dilim halinde kesmesi ve bunları yüksek süratli elektron mikroskobuyla taraması gerekti. Daha sonra dilimleri elektronik olarak bir ortaya getirmek için bir makine tahsili modeli kullandılar. Aslında öbür birçok beyin atlası mevcut, lakin birden fazla çok daha düşük çözünürlüklü bilgiler sağlıyor. Öte yandan nano ölçekte, araştırmacılar beynin kontaklarını her seferinde bir nörondan sinapslara, yani bağlandıkları yerlere kadar izleyebilirler.

İnsan beyninin nasıl çalıştığını, bilgiyi nasıl işlediğini, anıları nasıl depoladığını nitekim anlamak için, nihayetinde bu çözünürlükte bir haritaya muhtaçlık duyulacak. Elbette bunun için 1 milimetreküplük beyin dokusunun 1 milyon katı büyüklüğünde yani tüm bir beyin haritalaması gerekecek.

Beyin atlasları pek çok formda karşımıza çıkıyor. Kimileri hücrelerin nasıl organize olduğunu ortaya koyuyor. Başkaları gen sözlerini kapsıyor. Bu çalışma ise “connectomics” (Konnektomik) ismi verilen bir alan olan hücreler ortasındaki ilişkilere odaklanıyor. Beynin en dış katmanı, trilyonlarca irtibat oluşturmak üzere birbirlerine bağlanan yaklaşık 16 milyar nöron içeriyor. Tek bir nöron yüzlerce hatta binlerce diğer nörondan bilgi alabilir ve benzeri sayıda nörona bilgi gönderebilir. Bu da beynin yalnızca küçük bir kesiminde bile bu temasların izini sürmeyi son derece karmaşık bir misyon haline getiriyor. 

Aslında böylesi bir haritayı oluşturmak çok güç. Çünkü birinci sorun bir beyin dokusu örneği bulabilmek. Bilindiği üzere beyin, vefattan sonra süratle bozuluyor, bu nedenle kadavra dokusu işe yaramıyor. Takım bunun yerine, epilepsi hastası bir bayandan, nöbetlerini denetim etmeye yardımcı olması gayesiyle beyin ameliyatı sırasında alınan bir doku modülünü kullandı. Bu alınan doku, her biri bir insan saçının yaklaşık binde biri kalınlığında dilimler halinde kesilebilmesi için özel bir reçinede koruma ettiler. Daha sonra bu proje için özel olarak tasarlanmış yüksek süratli bir elektron mikroskobu kullanarak kesitleri görüntülediler.

Tam bu noktada ise Google’daki yapay zeka ekibi devreye giriyor. Google araştırmacıları, dilimleri bir ortaya getirmek, her birini bir sonrakiyle hizalamak, kabloları renk koduna sokmak ve temasları bulmak için bir makine tahsili modeli kullandı. Bu sürecin zorluğunu anlatmak güç lakin şu formda tabir edelim; yapılacak tek bir yanılgı, nörona bağlı tüm temasların yanlış olmasına neden olabilir. Bilim insanları elde edilen bu haritanın, şu anda elde edebileceğimiz gerçeğe en yakın harita olduğunu söylüyor.

Bazı sürprizler tespit edildi

Neuroglancer isimli bir web platformunda fiyatsız olarak erişilebilen haritanın, öteki araştırmacıların kendi keşiflerini yapmak için kullanabilecekleri bir kaynak olması amaçlanıyor. Bununla birlikte takım şimdiden bazı sürprizler tespit etti. Örneğin, bir nörondan başkasına sinyal taşıyan uzun kısımların kimileri kendi etraflarında döndükleri noktalar olan “akson kıvrımları” oluşturdu. Aksonlar tipik olarak bir sonraki hücreye bilgi iletmek için tek bir sinaps oluşturur. Takım, kimi durumlarda 50 farklı sinaps olmak üzere tekrarlanan ilişkiler oluşturan tek aksonlar tespit etti. Bilim insanların şimdilik bunun nedenini bilmiyorlar fakat güçlü bağların muhakkak uyaranlara karşı çok süratli yahut güçlü reaksiyonlar verilmesini kolaylaştırabileceğini söylüyorlar. Tahminen de örnek, epilepsili bir hastadan alındığı için bu patolojik bir durumdur.

Hedef aslında çok daha büyük

Bununla birlikte bu araştırma aslında BRAIN Initiative ismindeki projenin bir ayağı. Bu projenin sonuncu emeli bir fare beyninin tamamının hudut ağı haritasını yüksek çözünürlükte oluşturmak. Bu, mevcut insan beyni dokusundan elde edilen bilgi ölçüsünden tam 1.000 kat daha fazla veri ortaya koyacak, kabaca 1.400 petabayt. İnsan beyninin tamamının haritasını çıkarmak için kestirimi olarak 1 exabyte veya 1 milyar gigabayt data gerektireceği düşünülüyor ki bu da CERN’in Büyük Hadron Çarpıştırıcısı için kurduğu bilgi merkezlerinin ölçeğine eştir.

Bu üzere sayıları anlamak sıkıntı olabilir, bu nedenle dataları takdir etmenin en düzgün yolu haberdeki görsellere bakmaktan geçiyor. Burada yakalanan beyin bölgesi, semantik hafızadan sorumlu olan anterior temporal lobun bir kesimi. Yani burada vızıldayan elektrik sinyalleri, insan hafızası ve öğrenme işlevleri için kritik kıymettedir. Bilhassa mana hafızası, yani objelerin, insanların, sözlerin ve gerçeklerin manalandırılması üzere bilişsel süreçlerde rol oynuyor.