Amerika ve Avrupa’da beynin gerçekte nasıl çalıştığının anlaşılması yönünde milyarlarca dolarlık yatırımlar planlandı. Teknolojik anlamdaki zorluklar ise büyük bir muamma.

Nörobiyolog Bill Newsome geçtiğimiz mart ayında Amerikan Ulusal Sağlık Bilimleri Enstitüsü (NIH) başkanı Francis Collins’den bir telefon aldı. Bu telefon onu şaşırtmıştı. Collins kendisinden önümüzdeki on yıl boyunca çok büyük bir yatırımın yapılacağı beyin araştırmalarına eş başkanlık yapmasını istemişti. Doğrusu Stanford Üniversitesi Tıp fakültesi üyesi olan Newsome, ucunu kestiremediği bu projelerin sorumluluğunu alma yönünde çokta emin olamıyordu. Bir gün boyunca bunu düşündükten sonra bu şüphesi yerini büyük bir heyecana bıraktı. Bulunduğumuz yüzyılın beynin gizemlerini çözme yönünde harika bir dönem olduğunu düşündü ve kendisine verilen görevi kabu etti.

Newsome’ın bu kabulu Collins’e elini patronu Amerikan başkanı Obama’nın yanında çok güçlendirecekti. Bu kararın hemen ardından Başkan Obama beyin araştırmalarına 100 milyon dolarlık ilk yatırımı açıkladı. Her şey  istenilen şekilde ilerlerse yapılacak tüm yatırımlar; başlangç yatırımının 10 katına ulaşacaktı. Avrupa komisyonuda beyin araştırmalarına Amerika ile aynı isteği göstererek bu yıl 69 milyon dolar ve önümüzdeki 10 yıl içinde milyarlarca dolar aktaracak gibi görünüyor.

Her iki kıtada farklı beyin araştırmaları desteklense de önümüzdeki yıllarda sinirbilimciler bu büyük yatırımlar ile öyle görünüyor ki milyarlarca sinirin, trilyonlarca bağlantının nasıl çalıştığını ve bunu soncunda nasıl aşık olduğumuzu, nasıl bir matematik teoremini çözdüğümüzü ve  efsane olmuş şiirleri,romanları nasıl kaleme aldığımızı anlamayı  umuyorlar.

Tabiki böyle bir çalışmanın neticelenmesi ve ileriye yönelik adımlar atılabilmesi nanoteknoloji, gen teknolojileri ve optik teknolojilerinden azami ölçüde yararlanmaktan geçiyor. Belki de bu sayede milyarlarca sinir arasındaki akım geçişinin haritalanması yapılarak önemli sırlar çözülebilir.  Northwestern Üniversitesi'nden sinirbilimci Dr. Kording beyindeki bu muazzam bilgi işlenmesini şöyle değerlendiriyor:

“Şunu düşünün; Hubble Uzay Teleskopu'nun tüm ömrü boyunca üretebildiği  bilgi; İnsan beyninin  sadece 30 saniyede ürettiği bilgi kadardır.”

Araştırmacılar zaten son yıllarda bu tür zorlukların üstesinde gelecek çalışmalar yapmakta, sinirleri daha derinden araştırmakta, optogenetik gibi ışıma yöntemleri kullaranak sinirlerin beyindeki anatomik haritasına ulaşmaya başladılar. Ayrıca bu çalışmaları fare ve solucan gibi deney hayvanlarında kullanarak beynin evrimsel gelişimini de inceleniliyor. Bu yüzyılda aşağıda belirtilen Teknik alandaki gelişmeler beyin araştımalarının neticelenmesinde önemli bir hız katacağı gerçeğini de gözler önüne seriyor.

Ölçüm sistemleri

Eğer araştırmacılar sinirler arası sinyallere anlam vermek istiyorlarsa, mümkün oldukça çok sayıda sinirinin sinyallerini kaydedebilmeliler.  Günümüzde yaygın olarak sinir aktivitelerini beyne bağlanan metal elektrotlar ile ölçülmekte bu aslında bir çok zorluğu da içinde barındırıyor. Şöyle ki bu metal elektrotlara gelen beyin dalgalarının hassasiyet problemleri olabileceği gibi kablolardaki teknik aksaklıklar ve beyin dalgalarını dijital ortama çeviren bilgisayar programındaki sorunlar bu ölçümlerin önündeki en büyük zorlukları oluşturmaktalar. Tüm bunların yanında elektrot teknolojojilerindeki gelişmeler son beş yılda araştırmacıların aynı anda yüzlerce sinirden sinyalleri kaydebebilir hale getirdi. Buna rağmen, hem sinyal kayıtlarının kalitesinin artırılması hem de daha fazla sinire ulaşabilmek adına alınması gereken daha çok yol var.

Geçtiğimiz Şubat ayında, San Fransico’da düzenlenen katı hal devreleri konferansında silikondan üretilmiş yeni ve çok ince kablolara sahip olan sinir probları tanıtıldı. Bu probların en güzel tarafı analog bilgiyi dijitale çevirirken sinyalin belli bir yolu kat etmesine gerek kalmayacak şekilde dizayn edilmiş olmasıdır. Sinirbilimciler 52 küçük ve ince kablodan oluşan bu yeni sinir probları ile 456 tane silikon elektrota ulaşabiliyorlar. Örneğin, bu yeni sinir probları sayesinde  araştırmacılar bir fare beynini korteksten, talamusa kadar tarayabilir ve sinirlerin birbirleri arasındaki bağlantısını çözümleyebilirler. Imec Biyo ve Nanoelektronik bölümü müdürü Peter Peumas göre bu probların ölçüm aralığı geliştirilebilinilir. Ayrıca Peumas 3 yıl içerisinde 200'den fazla kablodan oluşmuş ve 2.000 elektrota ulaşabilecek sinir millerine kavuşabileceğimizi belirtiyor.

Araştırmacılar sadece bu sinirlerin elektrik sinyallerini gözlemlemekle kalmayıp esasında bu sinyallerin ne gibi davranışsal etkilere neden olduğunu da anlamak istiyorlar. Imec’in geliştirdiği problarda şu an için her kablo yaklaşık 4 elektrota ulaşıyor amaç ise bu sayıyı yakında 20’nin üzerine taşıyabilmek. Bunun yanı sıra sinirleri sadece klasik elektriksel yöntemler ile uyarmak değil aynı zaman modern ışık yöntemi olarak adlandırdığımız optogenetik yöntemeler ile de uyarılması hedefleniliyor. Genel olarak optogenetik ışığa duyarlı iyon kanal proteinin (opsin) sinirlere eklenmesi sonucunda dışardan yapılan bir lazer ışını müdahalesi ile bu kanalların açılması ve hedeflenen sinirin aktif hale gelmesi olarak biliniyor. Bir araştırma grubu son zamanlarda optogenetik yöntemi kullarak farelerde sürekli tekrarlanan davranışlara neden oldular. Bu çalışmanın obsesif veya otistik bozuklara bir model teşkil edebileceğini de düşünüyorlar.

Yeni jenerasyon optogenetik sinir probları uzun optik kablolara ihtiyaç duyulmadan ışığın beynin istenilen yerine ulaşmasını sağlayabilecek.  Washington Üniversitesi'nden Michale Bruchas ve ekibi Nisan ayında kablosuz optogenetik sinir  çiplerinin protiplerini tanımlayarak bu sayede radyo dalgaları ile opsin proteini aktfi edebildiler. Farelere yerleştirilen bu çipler sayesinde farelerin kısa sürede bazı davranışları kazanmlarını sağladılar. Bu sonuçlar çiplerin gelecekte bu alanda çok önemli bir yer alacağını gösteriyordu.

Araştırmalar ayrıca genetik mühendisliği tekniği ile üretilmiş doğal opsin proteinin ışığın farklı dalga boylarında da aktivite gösterebileceğini ve sonuç olarak bu çalışmaların sadece sinirlerin sinyallerini değil aynı zamanda aralarındaki bağlantılar ve sıcaklık değişimi gibi fizyolojik değişimler karşısında hangi sinirlerin rol oynadığını da anlayabileceğiz. Yakın gelecekteki teknolojik gelişmeler ile belki de nano ölçeklerde problar yapılabilinecek ve bu probların aktifleşmesi için gerekli enerjiyi hücreden sağlayabileceği yapılar sayesinde milyonlarca sinirin gizemi aydılatılabilinecek. Bir başka teknik ise DNA polimeraz enzimini yapay olarak beyin hücrelerinde üretmek ve bu sayede oluşacak hücreler arası kalsiyum artışından yukarıda bahsettiğimiz hücre bağlantılarına ulaşabilmek fakat bu fikir henüz başlangıç aşamasında.

Haritalamak

Tüm bu bağlantılar çözüldüğünde beyin bağlantı haritasına ihitiyaç duyulacaktır. Bu aynen büyük bir şehrin trafik gösterim haritası gibi olacaktır. Bir yüzyıldır bu haritalama üzerine araştırmacılar çalışsa da bu çalışmalar hep karşılaşılan teknik zorluklar yüzünden sınırlı kalmış durumdadır. Böyle olsa bile Almanya’da Jülich Araştırma Merkezi'nden Katrin Amunts ve arkadaşları 65 yaşındaki bir bayanın beyninde elde ettikleri kesitler ile beynin tam anlamda anatomik olarak haritalamaya çalıştılar. Katrin ve ekibi ikinci bir beyin üzerinde çalışmalarını sürdürmekte ve daha kısa bir sürede sonuç alacaklarını ummaktalar. Harvard üniversitesinden Jeff Lichtman ve Max planck ensititüsü Nörobiyoloji bölümünden Winfried Denk bir Alman optik firması olan Carl Zeiss ile beraber yürüttükleri projede ise ortalama 25 nanometre ve daha aşağıdaki örnekleri gözlemleyebilecekleri yeni bir elektron mikroskobu üzerinde çalışıyorlar. Lictman bu çalışmalarını şöyle açıklıyor:

“Bu sayede beyindeki  tüm sinirlerden ve sinaplardan alt bölümlere kadar en küçük yapının bile görüntülemesini sağlayabileceğiz.”

Bu noktada karşılaşılan en büyük zorluksa elde edilen mikroskop görüntülerinin çözünürlüğünü ne kadar artırılabileceği hususudur.  Stanford Üniversitesi'nden Karl Deisseroth ve ekibi “CLARITY” adı verdikleri bir teknikle bu soruna çözüm bulmaya çalışıyor. Kısacası, bu teknik bir takım kimyasallar resmi alınacak bölgeye eklenerek, bölgenin optik açıdan daha net olmasını sağlıyor. Tüm bu görüntüleme ve haritalama teknikleri ile beraber araştırmacılar her bir sinirin ayrı ayrı ele alınmasına ihtiyaç kalmamasını umuyorlar. Newsome; tüm bu görüntüleme desenlerinin büyük resmi görmelerini sağlayacağını düşünüyor.

Veriyi mantıklı hale getirmek

Bunun belki de işin en zor safhası olduğu düşünülüyor. Beynin her bir milimetre küp dokusu yaklaşık olarak 2.000 terabayt elektron mikroskobu bilgisi üretiyor. Dr. Denk, fare beyninin 60 petabayt, insan beyninin ise 200 eksabaytlık bir boyutu olduğunu tahmin ediyor. Dr. Lichtman, bunun şu anda dünyada kullanılan, içinde Facebook’unda bulunduğu tüm web boyutları ile rekabet edebilecek düzeyde bir boyut olduğunu belirtiyor. Sinirbilimciler bunun sadece bir başlangıç olduğunu ve daha çok beyin örnekleri üzerinde çalışmalar yapmaları gerektiğini belirtiyorlar. Avrupa beyin araştırmaları projelerinde araştırmacıları beyin simülasyonlarına ulaşabilecekleri bilgisayar programları geliştirilmektedir. Sinirbilimciler, beyinde daha çok alana daha hızlı ulaşabilmek için süper bilgisayarların kullanabilecekleri bilgisayar dilleri üzerinde de çalışmalarını yürütmekteler. Sinirbilimci Christian Machens bunun teoride yumurta tavuk meselesine benzediğini, Beynin nasıl çalıştığını anladığımızda ondan gelen verilere de nasıl yaklaşmamız gerektiğini anlıyacağımızı düşünüyor. Dr. Kording bunun bir çeşit google arama  motoru gibi olabileceğini, tahmini sinir sayısınının mevcut internet sayfası kadar olduğunu ve sayfaların da birbirleri ile bağlantıları olduğunu belirtirken, sinirlerdeki bu bağlantıların ise doğrusal olmadığını söylüyor. CSH’den Partha Mitra ise sonuç itibari ile her sinyalin hedeflediği bir yer olduğunu, bunun beyin sinyalleri için de geçerli olduğunu düşünüyor. Tüm bu gelişmeler ışığında Dr. Newsome, eninde sonunda bu pırıltılı sinirlerin davranışlar açısından ne anlama geleceğini öğreneceğimizi belirtiyor.

Referans: nature