Memeli beyni, milyarlarca hücrenin trilyonlarca bağlantı noktasıyla birbirine bağlandığı ve sinirbilimcilerin hala tam olarak çözemediği karmaşık bir ağdır. Şimdi ise araştırmacılar, bir laboratuvar faresinin beyninde yalnızca 1 milimetreküplük, yani kabaca bir kum tanesi büyüklüğündeki bir alanda yer alan çok sayıda beyin hücresini ve arasındaki bağlantıları başarıyla haritaladı.
Çalışmanın kıdemli yazarlarından biri, "Bir milimetre küçük görünebilir, ancak bu milimetrenin içinde kilometrelerce 'kablolama' bulunuyor," diyor. Bu çığır açan çalışma, ABD'deki çeşitli kurumlardan 150'den fazla araştırmacının oluşturduğu büyük bir araştırma grubunun ürünü. Ekip, Nature dergilerinde 9 Nisan'da yayınlanan 10 makaleden oluşan bir seride, "konnektom" adı verilen bu dikkat çekici 3 boyutlu beyin haritasını nasıl oluşturduklarını detaylandırdı ve bu veri setini beynin işleyişini keşfetmek için nasıl kullandıklarını açıkladı.
Bu alanda çalışmayan bir sinirbilim uzmanı, bu yaklaşımın "nöronların ne yaptığını gözlemlemek ile nasıl bağlandıklarını anlamak arasındaki temel bir boşluğu doldurduğunu" ifade etti.
Beyin Haritası Nasıl Çizildi?
Araştırmacılar konnektomu oluşturmak için özel bir yöntem kullandı. İlk olarak, nöronları (sinir hücreleri) uyarıldığında parlayacak şekilde genetiği değiştirilmiş canlı bir laboratuvar faresi kullanıldı. Bu özellik, fareye "Mad Max: Fury Road", "The Matrix" ve "Star Wars: Bölüm VII — Güç Uyanıyor" gibi filmlerden sahneler de dahil olmak üzere çeşitli videolar izletilirken, araştırmacıların aktifleşen beyin hücrelerini bir mikroskop aracılığıyla tespit etmelerini sağladı.
Bu süreçte, beynin arka kısmında yer alan ve görsel işleme için kritik öneme sahip olan oksipital lobdaki 1 milimetreküplük bir doku bloğundan tam 76.000 nöronun beyin aktivitesi kaydedildi. Deneyin ardından ekip, farenin beynini dikkatlice çıkarıp aynı lobdaki hücre şekilleri ve aralarındaki bağlantılar gibi anatomik özellikleri yüksek çözünürlüklü bir elektron mikroskobu kullanarak detaylı bir şekilde inceledi.
Sonraki aşamada, elde edilen anatomik veriler ve parlayan hücre görüntüleri birleştirildi. Bir makine öğrenimi algoritması, bu verileri rehber alarak beyin hücrelerini ve onların uzantılarını tek tek takip etti ve sonuç olarak nihai 3 boyutlu haritayı oluşturdu. Bu muazzam haritalama çalışması, tam 200.000 hücreyi ve bu hücreler arasındaki 523 milyon bağlantıyı (sinaps) içeriyor.
Beynimiz, sinyal ileten nöronlar ve nöronların düzgün çalışmasını destekleyen glial hücreler gibi farklı görevleri olan çeşitli hücre tiplerini barındırır. Kullanılan makine öğrenimi aracı, hücrelerin fiziksel özelliklerine bakarak onlarca farklı hücre tipini başarıyla ayırt edebildi.
Araştırmacılardan biri, bu veri setinin daha önce haritalanan bir insan beyni kesitinden alınan konnektomdan üç kat, tüm bir meyve sineği beyninin konnektomundan ise tam 40 kat daha büyük olduğunu vurgulayarak, bunun bugüne kadar oluşturulmuş en büyük konnektom olduğunu belirtti.
Ancak bu devasa veri setinin bile bazı eksiklikleri bulunuyor. Bazı beyin hücrelerinin haritada yer almadığı ifade ediliyor. Ayrıca konnektomda, kaynağı belirsiz olan "yetim" hücre uzantıları da mevcut. Bunun nedeni, ya ilgili hücrelerin makine öğrenimi algoritması tarafından tespit edilememiş olması ya da bu uzantıların haritalanan 1 milimetreküplük alanın dışındaki hücrelere bağlı olması olabilir.
Bu nedenle, haritanın doğruluğunu teyit etmek için kapsamlı bir kontrol sürecinin gerektiği ve bu kontrolün büyük bir kısmının bilim insanları tarafından manuel olarak yapılması gerektiği belirtiliyor. Neyse ki, ekip bu zahmetli düzeltme adımını kısmen otomatikleştirmeye yardımcı olacak bir yazılım aracı da geliştirdi.
Sinirsel Bağlantılara Dair Yeni Bulgular
Sinirbilimde sıkça tekrarlanan bir deyiş vardır: "Birlikte ateşleyen nöronlar, birlikte bağlanır." Bu, özellikle kısa mesafelerde, aynı anda aktifleşen beyin hücrelerinin birbirleriyle bağlantı kurma olasılığının daha yüksek olduğu anlamına gelir. Oluşturulan bu yeni konnektom, bu temel prensibin sadece kısa mesafelerde değil, haritalanan 1 milimetreküplük alanın tamamını kapsayan daha uzun mesafelerde de geçerli olduğunu çarpıcı bir şekilde ortaya koydu.
Ayrıca konnektom, "engelleyici nöronlar" olarak adlandırılan ve diğer nöronların ateşleme olasılığını azaltan hücrelerin, "uyarıcı nöronların" aktivitesini nasıl sonlandırdığına dair de önemli yeni bilgiler sundu. Daha önceki çalışmalarda, engelleyici nöronların sadece yakın çevrelerindeki rastgele nöronları mı etkilediği, yoksa belirli hedef hücreleri mi seçtiği tam olarak bilinmiyordu. Bu yeni harita, beynin farklı bölgelerinden kaynaklanan engelleyici hücrelerin, uzakta bulunan aynı hedef hücreler üzerinde birleşebildiğini gösterdi. Bu bulgu, engelleyici mekanizmanın oldukça spesifik ve hedefe yönelik çalıştığına işaret ediyor.
Bu devasa konnektomdan gelecekte çok daha fazla keşif yapılması bekleniyor.
Çalışmaya dahil olmayan bir sinirbilim doktora öğrencisi, "Araştırmacılar, makaleyle ilişkili tüm verileri kamuya açık hale getirdi. Bu, sinirbilim topluluğu için paha biçilmez bir kaynak," diyerek, diğer bilim insanlarının da bu verileri kendi araştırmaları için kullanabileceğine dikkat çekti.
Bu tür detaylı beyin haritaları, beynin temel işleyişini anlamanın ötesinde, Alzheimer hastalığındaki protein plaklarının birikimi veya Multipl Skleroz (MS) hastalığında sinir ağlarına zarar veren lezyonların oluşumu gibi nörolojik rahatsızlıkların altında yatan mekanizmaları anlamak ve potansiyel tedavi yöntemleri geliştirmek için de kritik öneme sahip olabilir.
Ancak araştırmalar burada son bulmuyor. Çalışmanın yazarlarından biri, "Bu bir milimetreküplük alan bir açıdan devasa olsa da, aslında farenin tüm görsel sisteminin sadece küçük bir parçası," diyor. Gelecek on yıl içinde, ABD Ulusal Sağlık Enstitüleri'nin (NIH) BRAIN Girişimi kapsamında, tüm fare beyninin bir konnektomunun oluşturulması hedefleniyor. Bu başarıldığında, farklı beyin bölgeleri arasındaki çok daha uzun mesafeli bağlantıların ve karmaşık devrelerin anlaşılması mümkün olabilecek.
Ne var ki, bu iddialı projenin geleceği şu anda bir miktar belirsizlik taşıyor. Geçtiğimiz yıl ABD Kongresi'nin projenin bütçesinden önemli bir kesinti yapması, bu önemli araştırmaların ilerleyişi konusunda soru işaretleri yaratıyor.
