Bir Bilim İnsanı, Beyin Araştırmalarında İmkansızı Gerçekleştirdi

Fare beyninin yalnızca bir kum tanesi büyüklüğündeki küçücük bir dokusundan hareketle, bilim insanları şimdiye dek imkansız sayılan bir başarıya imza atarak memelilerin beyninin ilk kesin üç boyutlu haritasını çıkardı. Bu harita, 84.000 nöronun şekil, işlev ve faaliyetlerini detaylarıyla gözler önüne sererken, 500 milyondan fazla sinaps ve 200.000 beyin hücresinin karmaşık ağını ortaya koyuyor. Söz konusu mikroskobik doku parçasında tam 5,4 kilometrelik nörolojik bağlantılar bulunuyor ki bu, New York Central Parkı’nın bir buçuk katı uzunlukta devasa bir sinir ağı demek.

Yaklaşık on yıllık, 22 kurumu kapsayan ve 150 bilim insanının ter döktüğü bu çalışma, Allen Beyin Bilimleri Enstitüsü, Baylor Tıp Fakültesi ve Princeton Üniversitesi öncülüğünde gerçekleştirildi. Dr. Forrest Collman’ın ifadesiyle, “Bu proje beynin ne denli muhteşem ve büyüleyici olduğuna dair adeta bir şaheser.” Başka bir deyişle, bu şaşırtıcı harita, farenin beyninin sadece 1/500’lük bir bölümünü içermesine rağmen, toplanan veri hacmi 1,6 petabaytı buluyor; bu da 22 yıl kesintisiz HD video çekimine eş değer devasa bir bilgi yığını anlamına geliyor.

Beyinde saklı dehayı açığa çıkarmak için yürütülen bu MICrONS programından elde edilen bulgular, Nature dergisinde yayımlandı ve insan beynine dair hastalıkların anlaşılması yolunda kapıları ardına kadar aralayacak korkutucu bir güç olarak karşımıza çıkıyor. Bizler, bu devrim niteliğindeki gelişmeyle beraber, insan zihninin sırlarını çözme yarışında yeni bir döneme giriyoruz.

Beyin Aktivitesinin Haritalanması

Bilim dünyası, beyin araştırmalarında sınırları zorlayan bir gelişmeye imza attı; Beyin aktivitesinin detaylı ve kapsamlı bir haritasını çıkarmak için olağanüstü çabalar sarf edildi. Houston’daki Baylor Tıp Koleji’nde görev yapan bilim insanları, farelerin görsel korteksinde, yani hayvanın gördüklerini işlediği 1 milimetreküplük beyin dokusundaki aktiviteleri, özel mikroskoplarla günler boyunca canlı olarak kaydetti.

Bu süreçte farelerin uyumaması ve görsel uyarılara tepki vermesi sağlandı; hayvanlar bir koşu bandında koşturulurken, “The Matrix” ve “Mad Max: Fury Road” gibi filmlerden 10’ar saniyelik sahneler izletildi. Ayrıca, ekstrem sporların yer aldığı YouTube videoları da aralıklı olarak gösterildi. (Princeton Üniversitesi’nin yaptığı açıklamaya göre; bu inanılmaz deney, beynin uyarılma sürecini gözler önüne sermek için tasarlandı.)

Katil bir kararlılıkla devam eden süreçte, Seattle’daki Allen Enstitüsü’nden araştırmacılar, aynı 1 milimetreküplük beyin dokusunu 28.000’den fazla ultra ince dilime ayırdı. Bu dilimlerin kalınlığı, insan saçının yaklaşık 400’de 1’i kadar inceydi. Tüm bu kesitler özenle fotoğraflanıp yüksek çözünürlüklü görüntüler halinde derlendi ve yeniden birleştirildi.

Dr. Nuno Maçarico da Costa, projenin ne kadar zorlu olduğunu şu sözlerle özetliyor: “Tam 12 gün ve 12 gece boyunca ekip durmaksızın çalıştı. Vardiyalı sistemle bir an bile ara vermeden süreci yönettik.”
Bu cümle, yalnızca bir araştırma değil, aynı zamanda bir dayanıklılık sınavı yaşandığını açıkça ortaya koyuyor.. Otomatik makinelerle yapılıyor olsa da, birkaç kesiti bile üst üste kaybetmemek için her an müdahale etmemiz gerekiyordu. Çünkü birkaç kesitin ard arda kaybı, tüm deneyin baştan başlaması anlamına gelirdi.”

Buna rağmen iş burada bitmedi; New Jersey’deki Princeton Üniversitesi ekibi, yapay zeka ve makine öğrenimi teknolojilerini kullanarak, tüm dilimlerdeki her bir nöronun izini sürmeye başladı. Bu yöntemde, nöronlar tek tek renklendirildi ve “segmentasyon” adı verilen karmaşık bir işlemle birbirinden ayrıldı. Yapay zekanın oluşturduğu bu veriler, halen bilim insanları tarafından titizlikle doğrulanıyor ve düzeltiliyor.

Sonuç muazzam: Artık bilim insanları fare beyninin “konnektom” adı verilen dijital haritasına sahip. Bu harita, beynin belirli bölgelerinin nasıl organize olduğunu ortaya koyarken, farklı hücre tiplerinin nasıl iş birliği yaptığını da gözler önüne seriyor.

Princeton Üniversitesi’nden Dr. Sebastian Seung, bu dijital devrimin önemini şu sözlerle vurguluyor:

“Konnektom, beyin biliminde dijital dönüşümün başlangıcıdır. Artık birkaç tuşa basarak saniyeler içinde bilgiye ulaşabiliyoruz. Oysa bu bilgilerin toplanması, eskiden bir doktora tezini gerektiriyordu. İşte dijital dönüşümün gücü bu!”

Bu tarihi adım, beyin araştırmalarında yeni bir çağın habercisi olarak karşımızda duruyor; artık beynin en karmaşık yapıları bile dijital ortamda takip edilip analiz edilebiliyor, bilim dünyası ürkütücü hızla ilerliyor!

Mümkün Olmayan Bir Zorluk mu?

Beyni bu şekilde haritalandırmak, yıllarca tam anlamıyla imkansız bir görev olarak görülmüştü. DNA yapısını ortaya koyarak Nobel ödülü alan moleküler biyolog Francis Crick, sinirbilimcilerin beynin bu denli ayrıntılı bir kavrayışına asla ulaşamayacaklarını öne sürmüştü. 1979 yılında Scientific American’da yayımlanan yazısında, “Bir kübik milimetrelik beyin dokusunun tam bağlantı şemasını ve tüm nöronlarının nasıl ateşlendiğini istemek gibi imkansızı talep etmek faydasızdır,” diyerek bu durumu net biçimde ifade etmişti.

Fare beyninin “bağlantı haritası” (connectome) ise, öncekilere kıyasla çok daha karmaşık ve büyük bir adımı temsil ediyor. Nematod solucan C. elegans’ın bağlantı haritası 2019 yılında tamamlanmıştı, 2024 yılında ise meyve sineği beynindeki tüm nöronların haritası ortaya çıkarılmıştı. Ancak fare beynindeki bir kübik milimetrelik doku, meyve sineği beyninden yaklaşık 20 kat daha büyük ve çok daha karmaşık. Bilim insanlarıysa hedeflerini tüm fare beyni bağlantı haritasını yakın gelecekte çıkarmak olarak belirlemiş durumda.

CNN’e konuşan Collman, şunları söyledi: “Şu anda cevabımız hayır, bu mümkün değil; ama herkes bu engelleri nasıl aşabileceğimize dair çok net fikirler geliştiriyor. Üç-dört yıl içinde ‘evet, mümkün’ diyebilmeyi umuyoruz.” Ancak insan beyni bağlantı haritasını benzer sinaptik çözünürlükte çıkarmak çok daha zorlu bir mücadele olacak. Fare beyninden yaklaşık 1500 kat daha büyük olan insan beyni, teknik ve etik açıdan büyük engeller taşıyor.

Allen Enstitüsü’nden kıdemli araştırmacı Dr. Clay Reid ise şunu ekliyor: “İnsan beynindeki aksonları izlemek mümkün olabilir, ancak tüm sinaptik bağlantıları haritalamak oldukça uzak bir ihtimal.” Ondan sonra ise insan beyninin tamamının bağlantılar seviyesinde yeniden inşası ancak çok uzak bir gelecek hayali olarak kalıyor.

Özet Tablosu: Fare ve İnsan Beyni Bağlantı Haritası Zorlukları

Bu tablo, beyin haritalama çalışmaları önündeki engellerin büyüklüğünü ve buna rağmen atılan cesur adımları gözler önüne seriyor. Bizler, mümkün görülmeyen bu zorluğun üstesinden gelmek için gösterilen çabaları dikkatle izliyor; geleceğin nörobilim devrimine hazırlanıyoruz.

Alzheimer’ı İncelemenin Yeni Yolu

Harvard Üniversitesi’nin moleküler ve hücresel biyoloji bölümünden Dr. Mariela Petkova ve Dr. Gregor Schuhknecht’in dikkat çektiği gibi, neo korteks beyin araştırmalarında adeta altın bir anahtar işlevi görmekte. Bu beyin bölgesi, memeli beyinlerini diğer omurgalılardan ayıran öne çıkan özellikleri barındırıyor.

Araştırmacılar, neo korteksi incelemeyi tercih ediyor çünkü burası, insan zihninin en karmaşık fonksiyonlarına ev sahipliği yapıyor: Duyusal algı, dil işleme, planlama ve karar verme gibi kritik yetenekler bu bölgede gerçekleşiyor. Dahası, bu karmaşık işlevler, tüm kortikal alanlarda ve memelilerde benzer taslaklar kullanılarak düzenleniyor.

Laboratuvar fareleri, insan hastalıklarının incelenmesinde yaygın olarak kullanılıyor. Fare beyninin yapısı ve işleyişine dair daha derin bilgiler, Alzheimer, Parkinson, otizm ve şizofreni gibi nörolojik hastalıkların çözümünde yeni kapılar aralayacak. Çünkü bu hastalıklarda sinir iletişimindeki bozukluklar temel sorun.

Öyle ki, Dr. da Costa’nın ifadesiyle, “Eğer bozuk bir radyonuz varsa ve devre şemasını elinizde tutuyorsanız, tamir etmek için büyük avantaj sağlarsınız.” Bizler, fare beyninin bir nevi Google haritasını çıkarıyoruz; bu sayede sağlıklı ve hastalıklı fare beyinlerindeki sinir bağlantılarındaki farkları kıyaslama imkanı doğacak. Bu gelişme, Alzheimer gibi korkutucu hastalıklara karşı mücadelemizde büyük bir dönüm noktası olacak!