On yıl önce, Harvard Üniversitesinden Jeff Lichtman, laboratuvarında küçük bir beyin örneğini incelemeye başladı. Küçük olmasına rağmen bu 1 milimetreküplük doku; 57 bin hücre, 230 milimetre kan damarı ve 150 milyon tane sinaps içeriyordu.
Jacopo Prisco
Çeviri: Beyza Kaplan
Lichtman, “Bir pirinç tanesinden bile küçük olan bu dokuyu kesmeye ve incelemeye başladığımızda gerçekten de dokunun çok kompleks olduğunu görmeye başladık. Fakat araştırma sırasında başa çıkabileceğimizden çok daha fazla veriye sahip olduğumuzu fark ettik.” dedi.
Sonunda Lichtman ve ekibi, 1400 terabayt veri elde etti. Bu da yaklaşık 1 milyar kitabın içeriğinden daha fazlasına denk geliyor. Laboratuvar ekibinin Google’daki bilim insanlarıyla olan on yıllık sıkı işbirliği sayesinde toplanan veriler, şimdiye kadarki en detaylı insan beyni örneği haritasına dönüştü.
300 milyon resim
Beyin örneği şiddetli epilepsisi olan bir hastadan geliyordu. Lichtman, epilepsi nöbetlerini durdurmak için beyinden küçük bir parça alıp normal olup olmadığının kontrol edilmesinin standart bir prosedür olduğunu söylüyor. “Kişi anonim bir hasta olduğu için kendisi hakkında yaşı ve cinsiyeti dışında neredeyse hiçbir bilgiye sahip değildim.” diye de ekledi.
Örneği incelemek için Lichtman ve ekibi öncelikli olarak örneği, elmastan yapılmış bir bıçak kullanarak ince kesitler haline getirdiler. Oluşan kesitler sonradan sert bir reçineye gömülüp tekrardan epey ince bir şekilde kesildi. Litchman: “Bu kesitlerin kalınlığı yaklaşık 30 nanometre ya da bir insanın saç telinin binde biri. Gözle görülebilir bir büyüklükte olmadıklarından elektron görüntüleme yaparken görünür olması için örnekleri ağır metallerle boyadık.”
Ekip, özel yapım bir bantta toplanan ve bir tür film şeridi oluşturan birkaç bin kesit elde etti. “Eğer her kesitin fotoğrafını çekip bunları hizalarsanız mikroskobik seviyede üç boyutlu bir beyin parçası elde edersiniz.”
Bu, araştırmacıların verileri depolamada yardıma ihtiyaçları olduklarını anladıkları zamandı. Çünkü ortaya çıkan araştırmalar depolama alanının çok büyük bir bölümünü kaplıyordu. Lichtman, Google’ın 2019 yılında yayımlanan sirke sineği beyninin dijital haritasını çıkarmak üzerine çalıştığını ve bunun için uygun bilgisayar donanımına sahip olduğunu biliyordu. Lichtman, sirke sineği projesinde çalışan ve Google’da kıdemli bir araştırma bilimcisi olan Viren Jain ile iletişime geçti.
Jain, ”Harvard’ın verilerinde 300 milyon ayrı görüntü vardı. Veri sayısının çok fazla olmasının nedeni ise her görüntünün tek bir sinaps düzeyinde ve çok yüksek bir çözünürlükte görüntülenmesiydi. İnceledikleri o küçük beyin örneği dokusunda bile 150 milyon sinaps bulunmaktaydı.” dedi.
Google’daki bilim insanları, görüntüleri anlamlandırmak için yapay zeka tabanlı işleme ve analizleri kullanarak resimlerdeki hücrelerin hangi tür hücreler olduğunu ve birbirleriyle nasıl bağlantılı olduklarını tespit ettiler. Ortaya çıkan sonuç ise beyin dokusunun interaktif ve üç boyutlu bir modeliydi. Ve bu, insan beyninin yapısının bu çözünürlükte şimdiye kadar yapılmış en büyük veri kümesi. Google, bu projeyi çevrim içi olarak Neuroglancer ismiyle yayımladı aynı zamanda Lichtman ve Jain’ın de yazarların içinde bulunduğu bir çalışma Science adlı bir dergide yayımlandı.
Beyni anlamak
Harvard ve Google ekiplerinin işbirliği sonucunda her bir bileşenin renklendirilerek görünür hale getirilmesiyle dokunun gerçeğe uygun temsili oluşturuldu. Jain, “Renkler tamamen keyfi ama bunun ötesinde çok fazla sanatsal özgürlük yok. Bunu söylememin asıl amacı bizim bunları uydurmamış olmamız. Bunlar beyinde gerçekten var olan nöronlar ve bağlantılar, biz renklendirerek biyologların incelemeleri ve çalışabilmeleri için pratik ve erişilebilir hale getiriyoruz.” şeklinde açıkladı.
Veriler birtakım sürprizler barındırıyordu. Örneğin, nöron çiftleri tek bir bağlantı oluşturmak yerine elliden fazla bağlantıya sahipti. Jain, “Bu bir bloktaki iki evi birbirine bağlayan elli ayrı telefon hattı olması gibi. Orada neler oluyor? Neden birbirlerine bu kadar sıkı bağlılar? Henüz bu olgunun işlevini ya da önemini bilmiyoruz, bunun için daha fazla araştırma yapmamız gerekecek.”
Lichtman’a göre beyni bu kadar detaylı incelemek, çözülememiş tıbbi durumların anlaşılması konusunda araştırmacılara yardımcı olabilir. Lichtman, “Beynimizi anlamak ne anlama geliyor? Bu soruya yapılacak açıklamaların bir sonuca varacağını umarak yapabileceğimiz en iyi şey, onu açıklamaya çalışmaktır. Örneğin; normal beyinlerin, yetişkin psikiyatrik hastalıkları veya otizm spektrumu gibi gelişimsel bozukluklar gibi hastalıklı beyinlerden nasıl farklı olduğu hakkında yapılacak bir karşılaştırma çok değerli olurdu.” dedi. “Eninde sonunda, çoğu durumda hala karanlıkta kalan soruların ne olduğu hakkında bize bir bilgi verecektir.” Ayrıca Lichtman veri setinin büyüklüğünden dolayı hala keşfedilememiş başka muhteşem detaylar olduğunu düşünüyor. “Bu nedenle veri setini çevrim içi olarak paylaşmamızın sebebi, herkesin inceleyerek yeni şeyler bulabilmesi için.” diye de ekledi.
Bu projenin arkasındaki ekip, bir sonraki adımda bir fare beyninin tümünün tam bir haritasını oluşturmayı hedefliyor ki bu, insan beyin örneği için gereken veriden yaklaşık beş yüz ila bin kere daha fazla veriye ihtiyaç duyacak. Lichtman, “Bu yaklaşık bir eksabayta denk geliyor bu da 1000 petabayt ediyor. Birçok insan bunu nasıl yapacağımız konusunda uzun uzadıya düşünüyorlar ve beş yıl süren bizim ortaya çıkardığımız ispatın üzerinden sadece bir yıl geçti. Benim fikrimce bir memeli beyninin bağlantı şemasına sahip olmak, nörobilim için önemli bir dönüm noktası olabilir. Bu gibi bir şemaya sahip olmak epey bir soruya cevap verebilir ama tabii ki hiç beklemediğimiz yeni sorular da ortaya çıkarabilir.” dedi.
Peki, insanın bütün beyninin haritasını çıkarabilir miyiz? Bu yaklaşık bin kat daha da fazla yer kaplar. Bu yaklaşık 1 zettabayt eder, bu büyüklük ise Cisco’ya göre 2016’da tüm yılın internet trafiğinin boyutuydu. Lichtman, ”Şu anda sadece o büyüklükte bir dosyayı depolamak değil aynı zamanda bozulmamış ve iyi korunmuş bir insan beynine ulaşmanın etik olarak kabul edilebilir bir yolu bulunmamakta.” şeklinde açıkladı.
Yeni bir çığır açmak
Güney Kaliforniya Üniversitesinden Michael Bienkowski, bu çalışmayla ilgili “Bu çalışma gerçekten muhteşem ve bunun gibi verilerden öğrenebileceğimiz birçok şey var. İnsan beyni ile ilgili bildiğimizi düşündüğümüz çoğu şey hayvan beyinlerinden tahmin yürütülerek çıkarıldı. Ancak bunun gibi araştırmalar, gerçekten bizi insan yapan şeyin ne olduğunu ortaya çıkarmak için çok önemli. Nöronların ve diğer beyin hücrelerinin yoğunluğu ve karışıklığı nedeniyle bunları görselleştirmek çok zor iken şu anki veri seti de uzun menzilli bağlantıları kapsamıyor.” dedi.
“Bu girdiler beynin başka hangi bölgelerinden kaynaklanıyor ve çıktılar alandan ayrıldıktan sonra nereye gidiyorlar? Ama farklı hücre çeşitlerini ve bunların etkileşimini görmek gerçekten inanılmaz ve hayatın bize ne kadar büyük bir mimari şaheser verdiğini takdir etmemizi sağlıyor.” diye ekledi.
Kaliforniya’daki Stanford Üniversitesinden Andrea Tolias, “Bu dikkat çekici çalışma, insan beyin korteksinin yapısını yüksek bir çözünürlükte yeniden yapılandırıyor. Beni özellikle de elliye kadar sinaps oluşturabilen nadir aksonların keşfi heyecanlandırdı. Bu keşif epey bir ilgi çekici ve aksonların hesaplanmış rolleri hakkında önemli sorular ortaya çıkarıyor.” şeklinde Bienkowski’ye katıldı.
Nörobilimci Olaf Sporns’a göre bu beyin haritalama projesi gelecek araştırmaların kapısını aralıyor: “Her bir insanın beyni milyarlarca sinir hücrelerinden oluşan çok geniş bir ağdır. Bu ağ; hücrelerin hafıza, düşünce ve davranış için temel olan özel örüntüler üzerinden iletişim kurmasını sağlar. İnsan konektomunu haritalandırmak, beynin nasıl çalıştığını anlamamız açısından çok önemli.” Bu çalışmanın önemli amaçlar doğrultusunda çığır açacağını, keşifler ve buluşlar için yeni olanaklar sağlacağını ekledi.
Kaynak
https://edition.cnn.com/2024/05/15/world/human-brain-map-harvard-google-scn/index.html (son erişim tarihi: 30.08.2024).
