Harvard ve Google'dan bilim insanlarının liderliğindeki bir ekip, insan beyninin tek bir milimetre küpünün 3 boyutlu haritasını oluşturdu. Bir milimetre küp beyin dokusu kulağa pek bir şey gibi gelmeyebilir. Ancak bu küçük karenin 57.000 hücre, 230 milimetre kan damarı ve 150 milyon sinaps içerdiği ve bunların 1.400 terabayt (veya 1.4 milyon gigabayt) veri anlamına geldiği düşünüldüğünde başarılan şeyin muazzam olduğu anlaşılıyor.

Şimdiye kadarki en büyük 3D beyin haritası

Jeremy R. Knowles Moleküler ve Hücresel Biyoloji Profesörü Jeff Lichtman liderliğindeki Harvard ekibi, bir pirinç tanesinin yarısı büyüklüğündeki bir temporal korteks parçasındaki her hücreyi ve bağlantı ağını canlı ayrıntılarla göstererek bugüne kadarki en büyük 3D beyin haritasını oluşturdu. Bu, şu anda insan beyninin şimdiye kadar oluşturulmuş en yüksek çözünürlüklü resmi. 

İnsan beyninin var olan en karmaşık şey olduğunu söylemek aslında pek de abartılı değil. Kafatasınızın içinde birbirine 100 trilyon sinapsla bağlı yaklaşık 86 milyar nöron bulunuyor.

“BOOM” Sistemi Türkiye’ye örnek oluyor “BOOM” Sistemi Türkiye’ye örnek oluyor

Bu kadar ayrıntılı bir harita oluşturmak için ekibin doku örneğini 5.000 dilim halinde kesmesi ve bunları yüksek hızlı elektron mikroskobuyla taraması gerekti. Daha sonra dilimleri elektronik olarak bir araya getirmek için bir makine öğrenimi modeli kullandılar. Aslında başka birçok beyin atlası mevcut, ancak çoğu çok daha düşük çözünürlüklü veriler sağlıyor. Öte yandan nano ölçekte, araştırmacılar beynin bağlantılarını her seferinde bir nörondan sinapslara, yani bağlandıkları yerlere kadar izleyebilirler. İnsan beyninin nasıl çalıştığını, bilgiyi nasıl işlediğini, anıları nasıl depoladığını gerçekten anlamak için, nihayetinde bu çözünürlükte bir haritaya ihtiyaç duyulacak. Elbette bunun için 1 milimetreküplük beyin dokusunun 1 milyon katı büyüklüğünde yani tüm bir beyin haritalaması gerekecek.
Beyin atlasları pek çok şekilde karşımıza çıkıyor. Bazıları hücrelerin nasıl organize olduğunu ortaya koyuyor. Diğerleri gen ifadelerini kapsıyor. Bu çalışma ise "connectomics" (Konnektomik) adı verilen bir alan olan hücreler arasındaki bağlantılara odaklanıyor. Beynin en dış katmanı, trilyonlarca bağlantı oluşturmak üzere birbirlerine bağlanan yaklaşık 16 milyar nöron içeriyor. Tek bir nöron yüzlerce hatta binlerce başka nörondan bilgi alabilir ve benzer sayıda nörona bilgi gönderebilir. Bu da beynin sadece küçük bir parçasında bile bu bağlantıların izini sürmeyi son derece karmaşık bir görev haline getiriyor. Aslında böylesi bir haritayı oluşturmak çok zor. Zira ilk sorun bir beyin dokusu örneği bulabilmek. Bilindiği üzere beyin, ölümden sonra hızla bozuluyor, bu nedenle kadavra dokusu işe yaramıyor. Ekip bunun yerine, epilepsi hastası bir kadından, nöbetlerini kontrol etmeye yardımcı olması amacıyla beyin ameliyatı sırasında alınan bir doku parçasını kullandı. Bu alınan doku, her biri bir insan saçının yaklaşık binde biri kalınlığında dilimler halinde kesilebilmesi için özel bir reçinede muhafaza ettiler. Daha sonra bu proje için özel olarak tasarlanmış yüksek hızlı bir elektron mikroskobu kullanarak kesitleri görüntülediler. 

Tam bu noktada ise Google'daki yapay zeka ekibi devreye giriyor. Google araştırmacıları, dilimleri bir araya getirmek, her birini bir sonrakiyle hizalamak, kabloları renk koduna sokmak ve bağlantıları bulmak için bir makine öğrenimi modeli kullandı. Bu işlemin zorluğunu anlatmak zor ancak şu şekilde ifade edelim; yapılacak tek bir hata, nörona bağlı tüm bağlantıların yanlış olmasına neden olabilir. Bilim insanları elde edilen bu haritanın, şu anda elde edebileceğimiz gerçeğe en yakın harita olduğunu söylüyor.

Bazı sürprizler tespit edildi

Neuroglancer adlı bir web platformunda ücretsiz olarak erişilebilen haritanın, diğer araştırmacıların kendi keşiflerini yapmak için kullanabilecekleri bir kaynak olması amaçlanıyor. Bununla birlikte ekip şimdiden bazı sürprizler tespit etti. Örneğin, bir nörondan diğerine sinyal taşıyan uzun dalların bazıları kendi etraflarında döndükleri noktalar olan "akson kıvrımları" oluşturdu. Aksonlar tipik olarak bir sonraki hücreye bilgi iletmek için tek bir sinaps oluşturur. Ekip, bazı durumlarda 50 ayrı sinaps olmak üzere tekrarlanan bağlantılar oluşturan tek aksonlar tespit etti. Bilim insanların şimdilik bunun nedenini bilmiyorlar ancak güçlü bağların belirli uyaranlara karşı çok hızlı veya güçlü tepkiler verilmesini kolaylaştırabileceğini söylüyorlar. Belki de örnek, epilepsili bir hastadan alındığı için bu patolojik bir durumdur.

Hedef aslında çok daha büyük

Bununla birlikte bu araştırma aslında BRAIN Initiative adındaki projenin bir ayağı. Bu projenin nihai amacı bir fare beyninin tamamının sinir ağı haritasını yüksek çözünürlükte oluşturmak. Bu, mevcut insan beyni dokusundan elde edilen veri miktarından tam 1.000 kat daha fazla veri ortaya koyacak, kabaca 1.400 petabayt. İnsan beyninin tamamının haritasını çıkarmak için tahmini olarak 1 exabyte veya 1 milyar gigabayt veri gerektireceği düşünülüyor ki bu da CERN'in Büyük Hadron Çarpıştırıcısı için kurduğu veri merkezlerinin ölçeğine eştir.
Bu gibi rakamları anlamak zor olabilir, bu nedenle verileri takdir etmenin en iyi yolu haberdeki görsellere bakmaktan geçiyor. Burada yakalanan beyin bölgesi, semantik hafızadan sorumlu olan anterior temporal lobun bir parçası. Yani burada vızıldayan elektrik sinyalleri, insan hafızası ve öğrenme fonksiyonları için kritik önemdedir. Özellikle anlam hafızası, yani nesnelerin, insanların, kelimelerin ve gerçeklerin anlamlandırılması gibi bilişsel süreçlerde rol oynuyor.

Kaynak: DonanımHaber