İnsan Beyninin Detaylı Haritalanması: Bir Bilimsel Başarı
Derleyen: Batuhan Sarıcan ([email protected])
İnternet üzerinden erişilebilen ve tamamen ücretsiz olarak sunulan beyin haritası, 50.000 hücreyi üç boyutlu olarak içermekte; bu hücreler, 130 milyon sinaps bağlantısı ve yüz milyonlarca örümcek dalıyla birbirine bağlanmaktadır. Bu muazzam veri seti, ortalama bir modern bilgisayarın depolama kapasitesinin yaklaşık 700 katı olan 1,4 petabaytlık bir alanı kaplamaktadır.
Mountain View, Kaliforniya’daki Google Research ekibinden Viren Jain, bu veri kümesinin büyüklüğüne dikkat çekiyor. Bu çalışmada yer almayan Harvard Üniversitesi’nden Catherine Dulac ise, insan beyninin bu kadar büyük bir bölümünün gerçek yapısını ilk kez gözler önüne serdiğimizi vurguluyor. Bu devasa girişim, Harvard Üniversitesi’nden Jeff Lichtman liderliğindeki bir ekibin, ilaca dirençli epilepsi hastası olan 45 yaşındaki bir kadından aldığı küçük bir beyin parçasıyla başlamıştı. Hasta, nöbetlerinin kaynağı olan sol hipokampüsünün çıkarılması için ameliyat olmuştu ve bu süreçte cerrahlar, hipokampüsü koruyan bazı sağlıklı beyin dokusunu da almak zorunda kalmışlardı.
İnsanın Saçının Yaklaşık Binde Biri
Lichtman ve ekibi, alınan beyin örneğini hemen koruyucu bir maddeye daldırdı. Ardından, osmiyum gibi ağır metallerle boyayarak her hücrenin dış zarlarının bir elektron mikroskobu altında görünmesini sağladılar. Sonrasında, bu malzemeyi sertleştirmek için reçineye gömdüler ve son olarak, insan saçının yaklaşık binde biri genişliğinde olan 30 nanometre kalınlığında dilimler halinde kestiler. Her dilimi görüntülemek için bir elektron mikroskobu kullanıldı.
Bu aşamada, Jain’in Google’daki ekibi, çalışmaya dâhil olarak üç boyutlu bir hacim oluşturmak için dilimleri bir araya getirmeye ve bir nöronu diğerine bağlayan dalları yeniden yapılandırmaya yönelik makine öğrenimi uygulamaları gerçekleştirdi. Ayrıca, farklı hücre tiplerini etiketleyerek beynin sadece küçük bir kısmına dair önemli ayrıntıları ortaya çıkardılar.
Gizemli Nöron Çiftleri
Ekip, nöronlar arasındaki bağlantılarda önemli tutarsızlıklar keşfetti. Normalde, bir nöron “dalı”, diğerine çok yakın geçtiğinde, yalnızca bir sinaps oluşturur veya nadiren iki ila dört sinaps meydana getirir. Ancak bu çalışmada, bir hedef nöron üzerinde 20’ye kadar sinaps oluşturan bazı dallar gözlemlendi.
Ek olarak, korteksin derinliklerinde daha önce gözlemlenmemiş gizemli nöron çiftleri bulundu. Lichtman, “İki hücre aynı eksende tam zıt yönleri işaret ediyor” diyerek, bunun nedenini kimsenin bilmediğini belirtmiştir.
Konektomi olarak adlandırılan beyin haritalama, araştırmacıların 1980’lerde Caenorhabditis elegans adlı bir iplik kurdunun sinir sistemindeki 302 nöronun haritasını çıkardığı ilk atılımından bu yana büyük bir mesafe kat etti. Jain, Dulac ve Lichtman, 2020 yılında tüm fare beyninin benzer bir ayrıntı düzeyinde haritalandırılmasını savunan bir grubun parçasıydı. Lichtman, “Bütün bir fare beyni, bu çalışmadaki örnekten yalnızca 1000 kat daha büyüktür; bir petabayt yerine bir eksabayt” diyor. Ancak, bu ölçeğin üstesinden gelinip gelinemeyeceği konusunda şüpheler var.
Dulac, korteksin beynin diğer bölümlerine nasıl bağlandığını görmek istediğini belirtiyor ve fare beyninin tam olarak haritalandırılmasının bu konuda önemli bilgiler sunabileceğini vurguluyor. Tüm bir insan beyninin haritasını çıkarmak ise, Lichtman’a göre, “gezegenimizde bir yılda üretilen dijital içerik miktarı” olan bir zettabaytla karşılaştırılabilir düzeydedir. Ancak bilim insanları, bunun yapılmasının ne kadar faydalı olacağı konusunda tereddüt yaşıyorlar.
Lichtman, her beynin deneyim yoluyla gelen benzersiz kodlama bilgisi içerdiğini ve bu nedenle her beynin diğerinden farklı şeyler “söyleyebileceğini” öne sürüyor. Bilginin nasıl depolandığını anlamadan elde edilen verilerin anlamsız olacağını ifade ediyor. Dulac ise daha acil bir yarar üzerinde çalışılması gerektiğini belirterek, zihinsel sağlık sorunları olan bireylerde hücre haritasının nasıl farklılık gösterdiğini araştırmanın önemine dikkat çekiyor. Şizofreni gibi durumların nasıl ortaya çıktığına dair bilgi sağlamak için “akıl hastalıkları olan hastalarda da benzer çalışmalar yapılabilir” diyor.
