Özgür Genç - BilimsoL
“Başını serin tut, ayağını sıcak tut” demiş atalarımız. Bizi ayakta ve hayatta tutan bu iki organımıza sahip çıkmayı öğütlemişler. İnsan aklına yapılan güzellemeler, tarih boyunca hiç eksik olmamış. İnsanın yegane ve mükemmel bir varlık olduğu fikri, yüzyıllar boyunca kabul edilegelmiş. İnsanı bir hayvan olmaktan ayıran en önemli özelliğinin düşünmek olduğu, “insanın düşünen hayvan” olduğu deyişiyle bizlere tekrar tekrar anlatılmaya çalışılmış.

İnsan merkezci bu anlayışın toplumu ne kadar büyük bir yanılgıya sürüklediği konusuna bugün bilim insanları dikkat çekmeye çalışıyor. İnsanı insan yapan etkinliğin, mucizevi ve kutsal bir dokunuş olmadığını, bunun uzun bir biyolojik evrimin sonucu olduğu görüşünde birleşiyorlar. Öte yandan sinir sisteminin gelişen ve daha da karmaşıklaşan biyolojik yapısı, bilim insanlarının her zaman ilgisini üzerinde toplayan bir araştırma konusu olmaya devam ediyor. Sinir sistemi ve beyinle ilişkili birçok biyolojik işlevin, hayvanlar aleminin bütününde gözlemlenebilmesi ve araştırma tekniklerindeki ilerlemeyle, birçok canlının da insanın sahip olduğu düşünme ve onunla ilişkili beyinsel aktivitelere sahip olduğu gerçeği ortaya çıkıyor.

Sonuç olarak, yaşadığımız dünyada düşünen varlıklar olarak yalnız değiliz. Öte yandan yaşamımızı borçlu olduğumuz beynin nasıl işlediği sorusuna vereceğimiz yanıt birçok giz perdesini de aralamamıza imkan verecek. Tıpkı beyinsel anatominin babası Ramon y Cajal’ın onyıllar önce söylediği gibi: “Beynimiz bir bilinmez olarak kaldığı sürece, evren, yani yapısal olarak beynin bir yansıması olan evren de bir bilinmez olarak kalmaya devam edecektir.”

Bir sistem olarak beyin
Yetişkin bir insan beyninde 100 milyara yakın sinir hücresi bulunuyor. Bu sinir hücrelerini birbirine bağlayan 100 trilyon kavşak noktası, yani sinaps olduğu da hesaba katıldığında, beyin belki de milyarlarca istasyonu olan ve trilyonlarca kilometre uzunluktaki, oldukça dakik bir metro ağı gibi düşünülebilir.

Tüm bu karmaşık yapıya karşın bugün bilim insanlarının üzerinde en çok tartıştıkları konulardan birisi, beynin yapı ve fonksiyonlarını bir bütün olarak gün yüzüne çıkarmak. Yani bir anlamda, beynimizi vareden bu metronun işleyiş haritasını kağıda ya da başka bir deyişle bilgisayara dökmek.

Elbette tekniğin ilerlemesine paralel olarak beyin araştırmaları da önemli gelişmeler sağladı. Yüzyılın başında birçok bilim insanı, ölüm sonrası insan beynini ince kesitler alarak incelediler. İnce beyin kesitlerindeki sinir hücrelerini boyayarak değişik sinir hücresi türlerini ve bunların beyindeki yerleşimlerini ortaya koydular. İspanyol anatomist Ramon y Cajal (1852-1934), uzun süren çalışmaları sonucunda bugün hâlâ tıp ders kitaplarında görebileceğimiz sinir hücre desenlerini, bir sanatçı edasıyla kağıda döktü (Resim 1).

Resim 1: Ramon y Cajal, beyincikte yer alan sinir hücrelerini gümüş nitrat çözeltisi ile boyadıktan sonra, bu hücreleri çizim yoluyla kağıda aktardı. Golgi tekniği olarak bilinen bu boyama yöntemi, modern nöroanatominin doğuşunda önemli bir yer tutmaktadır. Yukarıdaki çizimde 5 farklı sinir hücresi çeşidi görülmektedir (Kaynak: Aslen Instituto de Neurobiologia arşivlerinde yeralan çizim Nature dergisinden alınmıştır.)

Elbette bu çalışmalar, sinir hücrelerinin fiziksel olarak tanınmasına imkan sağlasa da onların fonksiyonları ve diğer sinir hücreleri ile bir sistem içerisinde nasıl etkileştikleri konusunda her hangi bir bilgi vermiyordu.

Fizyoloji biliminin gelişmesi ve hayvan modellerinin kullanılmaya başlaması, sinir hücrelerinin aktivitelerini ölçme imkanı sağladı. Elektriksel özelliklere sahip olduğu bilinen sinir hücrelerinin bu aktiviteleri, elektrotlar kullanılarak ölçülmeye başlandı.

Son olarak, girişimsel olmayan (non-invazif, dışarıdan, herhangi bir cerrahi müdahale olmadan) görüntüleme teknikleri de, sinir öbeklerinin faaliyetlerini, özellikle denek faaliyet esnasındayken takip etmeye olanak tanımaya başladı. Örneğin manyetik rezonans (MR) adıyla bilinen görüntüleme cihazlarının kullanımıyla, insan faaliyetiyle ilişkili beyinsel aktivite ölçülebilmeye başlandı. Örneğin, kişi bir görsel uyaranın etkisindeyken (bir film izlerken ya da bir resme bakarken) hangi beyin yöresinin, hangi süreyle aktif hale geçtiği ölçülebilir hale geldi.

Bir bütün olarak bakıldığında, yukarıda sayılan teknolojik gelişmeler, insanlığın beynin faaliyet şemasını ortaya dökmeye ne denli yaklaştığını gösteriyor. Farklı laboratuvarlarda yürütülen projelerde, farklı uzmanlık alanlarından bilim insanlarının katkısı önem kazanıyor. Örneğin, sinirbilim, bundan yüz yıl kadar önce tıp ya da biyolojinin uzmanlık konusu gibi görülürken, bugün, bilgisayar/bilişim biliminden elektroniğe, psikolojiden fiziğe kadar geniş bir yelpazeyi bünyesinde barındırıyor.

Sorun ölçek mi?
Sinirbilim alanında faaliyet gösteren bilim insanlarının en sık karşılaştıkları sorunlardan birisi, ölçek ile ilgili. Ölçek büyüdükçe, yapılan ölçümlerdeki hassasiyet azalıyor. Ölçek küçültülünce de hassasiyet artsa da yapılan ölçümün sağladığı bilgi kısıtlı oluyor, beynin bütününü anlamaya izin vermiyor.

Örneğin, beynin, korteks olarak bilinen beyin kabuğunda, beş duyu organımızın faaliyetlerinden sorumlu farklı bölgeler yer alıyor. Aslında, basit bir haritalama mantığıyla, a lobunun görmeden, b lobunun işitmeden, c lobunun da koku alma duyusundan sorumlu olduğunu düşünmek mümkün. Basit bir mantıkla bu bölgelerin bağımsız olarak incelenmesi (ölçeği küçülteceği için) deney yapan kişi için daha olanaklı görünse de aslında farklı beyin bölgelerinin birbirleriyle olan ilişkilerini göz ardı edeceği için önemli de bir kısıt barındırıyor. Örneğin, dokunma duyusundan sorumlu somatosensor beyin kabuğu, aynı zamanda hareketten sorumlu motor beyin kabuğu ile ilişkili olarak çalışıyor. Dolayısıyla, dokunma eylemiyle başlayan bir davranışın hangi sinir hücreleri üzerinden beyinde nasıl bir karşılık bulduğunun anlaşılabilmesi için beynin farklı bölgeleri arasındaki ilişki ağının bir bütün olarak ele alınması gerekiyor.

Anatomik anlamda bu devasa nitelikteki yapı, doğal olarak işlevsel olarak düşünüldüğünde de sonsuz işlem kapasitesine yakın bir süperbilgisayar gibi davranıyor. Bu durumu özetlemesi açısından ABD’deki Northwestern Üniversitesi’nden biyoloji profesörü Konrad Kording’in söyledikleri oldukça anlamlı: “İnsan beyni 30 saniye içinde, Hubble Teleskopu’nun tüm yaşamı boyunca kaydettiği kadar veri üretiyor.”

Sonuç olarak, bilim insanlarının önünde bu muazzam büyüklükteki ve hızdaki makinenin parçalarına ayrılması ve tekrar bir bütün halinde bir araya getirilmesi gibi bir görev duruyor.

İnsan beynini parsel parsel haritalamak
ABD’de ve Avrupa’da özellikle bahsettiğimiz ölçek sorununu aşmaya dönük kimi projeler, son yıllarda epeyce mesafe katetmiş görünüyor. Merkezi Seattle’da bulunan Allen Beyin Enstitüsü, insan beyninin ayrıntılı moleküler haritasını çıkarmak konusunda şapka çıkarılacak bir mesai harcıyor. Yakın dönemde, dört yetişkin bireyin ölüm sonrası beyni bir bütün olarak korunarak, biyokimyasal ve moleküler teknikler kullanılarak gen haritasının çıkarılması sağlandı. Mikrodizin (İng. microarray) teknolojisi kullanılarak, elde edilen dokuların gen ifadeleri ölçülerek bu ölçüm değerleri üç boyutlu olarak beyin anatomisi üzerinde eşleştirildi. Böylece beynin hangi bölgesinde hangi genin ne ölçekte ifade edildiğini incelemek mümkün hale geldi. Öte yandan daha spesifik ve yüksek çözünürlüklü bir okuma için, in situ hibritleşme metodu olarak bilinen biyokimyasal bir teknikle ilgili genlerin doku üzerindeki yerleşimleri ve ifade düzeyleri görüntülenmiş oldu.

Her şey en ince detayına kadar incelenmeli
Allen Beyin Enstitüsü’nün insanlar üzerinde gerçekleştirdiği bu çalışma (Resim 2), sinir sisteminin yapı taşı olan sinir hücrelerinin genetik kodu hakkında bilgi vermekle birlikte, bu genetik koda bağlı olarak ortaya çıkan sinir hücrelerinin hangi sinir hücresiyle nasıl bir temas halinde olduğu konusunda doğal olarak bilgi vermiyor.

Resim 2: İnsan beynine ait lobların yerleşimini gösteren resimde, değişik görevlerden sorumlu beyin bölgeleri farklı renklerle işaretlenmiştir (üstte). Allen İnsan Beyin Atlası projesinde, beynin değişik bölgelerindeki genlerin ifade düzeyleri ölçülüp internetten erişime açık bir bilgi bankası oluşturulmuş. Seçilen beyin bölgesindeki değişik genlerin ifade düzeyleri renk kodlu bir tablo üzerinde görülmektedir (altta).

Bu noktada devreye, işi gerçek anlamda beyni parsel parsel haritalamak olan laboratuvarlar giriyor. Almanya’da bulunan Julius Araştırma Merkezi, bu konuda önemli bir çalışmayı geçtiğimiz aylarda bilim kamuoyu ile paylaştı. Gene ölüm sonrası korunan bir insan beyninden 20 mikrometre kalınlığında 7400 kesit alınarak yapılan çalışmada, insan beyninin bugüne kadar oluşturulan en detaylı morfolojik haritası çıkarılmış oldu (Resim 3). BigBrain adı verilen proje, makro düzeydeki anatomi çalışmalarını mikro ölçeğe taşıyarak, araştırmacılar için kapsamlı bir kaynak malzeme oluşturmayı hedefliyor.

Resim 3: BigBrain projesinde kullanılan insan beyinleri, formalin çözeltisi ile kimyasal olarak sabitleniyor (bozulması önleniyor). 20 mikrometre kalınlığında alınan 7404 beyin kesiti üzerinde yapılan boyama ile sinir hücrelerinin konumları belirlenmiş oluyor (Kaynak: BigBrain: An Ultrahigh-Resolution 3D Human Brain Model, Amunts ve ark. Science 21 June 2013:
Vol. 340 no. 6139 pp. 1472-1475)

Mikrometre düzeyinden nanometre seviyesine inmeyi hedefleyen bir grup bilim insanı ise sinir hücrelerinin bilgisayar ortamında tam anlamıyla yeniden yapılandırılmasını sağlayacak bir metot üzerine çalışıyor. Harvard Üniversitesi ve Max Planck Enstitüsü’nden (Münih) araştırmacılar, elektron mikroskobunun tarama kapasitesini artırarak verimi yükseltme gayreti içindeler. Elbette şu an ihtiyaç duydukları yegane şey, nanometre çözünürlükteki verileri 3 boyutta tüm bir beyin için gerçekleştirecek bilişim altyapısı.

Son olarak bilim camiasında optogenetik çalışmalarıyla tanınan Stanford Üniversitesi’nden Karl Deisseroth ve ekibinin geliştirdiği Clarity (berraklık) adlı yöntem, beyni herhangi bir kesit almaksızın bir bütün olarak görüntülemeyi olanaklı kılıyor (Resim 4). Daha düşük çözünürlüğe sahip bu tekniğin en temel avantajı, beynin farklı bölgeleri arasındaki bağlantıları, beyni parçalara ayırmadan üç boyutlu olarak incelemeye olanaklı kılması. Şu an sadece farelerde denenen yöntemin, haritalama çalışmalarına hız kazandıracağı kesin.

Resim 4: Clarity adlı görüntüleme tekniğinde, beyin herhangi bir parçaya ayrılmadan bir bütün olarak kimyasal olarak şeffaf hale getiriliyor (üst panelde, kimyasal uygulanmadan önce ve sonra fare beyni görülmektedir. Görseldeki ifadenin Türkçesi: Beyin keşfedilmemiş kıtalardan ve bilinmeyen geniş alanlardan oluşan bir dünyadır). Şeffaflaştırılan beyin üzerinde floresan etiketler kullanılarak sinir hücrelerinin yerleri belirlenmiş oluyor (altta). Bu sayede mikroskop altında, beyin bir bütün olarak üç boyutlu olarak görüntülenebiliyor (Kaynak: Chung ve ark. Structural and molecular interrogation of intact biological systems. Nature, vol 497, 16 Mayıs 2013)

Ölçeği tamam, 
peki ya işlevi?
Bugün sinir sistemi üzerine yapılan çalışmalar girişimsel olarak (invazif), temel olarak kemirgenler ve insan dışı primatlar üzerinde yürütülüyor. Bu çalışmalardan elde edilen bilgiler, beynin işlev haritasının çıkarılması için doğal olarak vazgeçilmez. Ancak işlev haritasının oluşturulması, biçim ve gen haritasına göre daha fazla kısıt taşıyor. Her şeyden önce çalışılan dokunun canlı kalması gerekiyor. In vitro olarak adlandırılan ve denekten alınan beyin kesitleri canlı tutularak yürütülen hücresel elektrofizyoloji deneylerinde, mikrometre kalınlığındaki cam elektrotlarla sinir hücrelerinin birçok özelliğini araştırmak mümkün. In vivo olarak adlandırılan ve denek canlı iken yapılan araştırmalarda da duyu organları uyarılarak sinir hücresinin tepkisinin ölçülmesi sağlanıyor. Elbette ikincisi, hassasiyet bakımından berikine oranla araştırmacılar için daha zorlu.

Tek tek sinir hücrelerinden elde edilen bu ölçümlerin, işin moleküler cephesiyle ilgilenen bilim insanları için de önemli bir bilgi taşıdığını belirtmekte fayda var. Zira, beynin farklı aktivite durumlarında, öğrenme esnasında ya da bir hastalık anında, sinir hücrelerinin aktivitelerinde değişimler gözleniyor. Tek bir sinir hücresinden yapılan bu yüksek hassasiyetli ölçümler, sinir sisteminin yapı taşlarının değişen koşullara nasıl tepki verdiğini anlamamızı sağlıyor.

Ancak en başta belirttiğimiz ölçek sorunu burada da devreye giriyor. Çünkü tek bir sinir hücresinden elde edilen bilgi her ne kadar spesifik özellikler taşısa da, aslında bir sistem olarak beynin bir bütün olarak davranışını anlamada çok fazla veri sunmuyor.

Bu noktada gündeme daha fazla sinir hücresinden ölçüm yapmayı kolaylaştıran tekniklerin geliştirilmesi geliyor. Görüntüleme tekniklerindeki ilerlemelerle geniş sinir hücre topluluklarında eşzamanlı ölçüm yapmak yakın zamanda mümkün hale geldi. Sinir hücrelerinin kalsiyum iyonuna bağlı olarak aktif hale geçtiğini bilen bilim insanları, kalsiyum iyonuna bağlanan floresan özellikte moleküllerin sinir hücrelerinde üretilmesini sağlayarak, bu hücrelerin aktivitelerini ölçmeyi başardılar. Böylelikle, örneğin yan yana yüzlerce sinir hücresinin aktivitesi, elektrot kullanmaksızın, sadece floresan mikroskop kullanılarak ölçülebilir hale geldi.

Bugün sadece deney hayvanlarında denenen bu teknikler, sinir sisteminin kompleks davranışlarının incelenmesi konusunda araştırmacılara yardımcı oluyor.

Sırada doğal olarak, insanlarda beynin işlevinin nasıl araştırılacağı sorusuna cevap bulmak kalıyor. Burada girişimsel olmayan metotların geliştirilmesi önem kazanıyor. Bu teknikler arasında en yaygın olarak bilinen işlevsel manyetik rezonans görüntüleme tekniği (fMRI). Bu yöntem, sinir gruplarının aktivitesini, bu sinirlere oksijen taşıyan damarlardaki oksijenlenme düzeyini ölçerek takip ediyor. Her ne kadar çözünürlüğü girişimsel tekniklere oranla çok daha düşük de olsa (1 mm), insan beyninin işlev haritasının oluşturulması konusunda en gelişkin teknik olarak biliniyor (Resim 5).

Resim 5: Beyin Girişimi Projesi’nin bir parçası olan İnsan Connectome Projesi’nin kullandığı teknikler arasında Manyetik Rezonans Görüntüleme yer alıyor. Projenin amacı farklı beyin bölgeleri arasındaki iletişimin yapı ve işlev haritasını ortaya çıkartmak. Difüzyon spektrum görüntüleme tekniği beyinde ye alan su moleküllerinin sinir hücreleri boyunca hareketlerini inceleyerek beyinde ilişki halindeki bölgeleri gösteriyor. Resimde (üstte) farklı renklerde görülen ipliksi yapılar, su moleküllerinin oluşturduğu işaretlerin takip edilmesiyle ortaya çıkıyor (Kaynak: Human Connectome Project www.humanconnectomeproject.org)

Tek bir sinir hücresinden tüm beynin modellenmesine
Aslında tüm hikaye burada son bulmuyor. Çünkü sinirbilim çalışmalarının önemli bir bölmesi bilgisayar kullanılarak yürütülen modelleme deneylerine dayanıyor. In silico olarak da adlandırılan bu faaliyet alanında, sinir hücrelerinin biyofiziksel çalışma prensibi baz alınarak oluşturulmuş matematiksel denklemlerle, beynin bir bölümünün ya da bütününün modellenmesi hedefleniyor.

Bu konuda adı en çok duyulan ise Avrupa Birliği’nin 1 milyar avro bütçe desteği sağladığı İnsan Beyin Projesi. İsviçre, Lozan merkezli proje, öncülü sayılabilecek, Mavi Beyin Projesi’nin (Blue Brain Project) devamı niteliğinde. Öncül projenin temel işleyiş prensibi, deney ortamında toplanan çeşitli verilerin, matematiksel olarak soyutlanması ve sonrasında modellenmesine dayanıyor. Bu mantık kullanılarak, mikro sinir ağı düzeyinden mezo sinir ağı düzeyine uzanan, nihai olarak da tüm bir beynin modellenmesini hedefleyen bir çalışma planı mevcut (Resim 6).

Resim 6: İnsan Beyin Projesi’nin öncülü olarak ilan edilen Mavi Beyin Projesi ile son on yıl içerisinde tamamlanan sıçan beynine ait, tek bir kortikal kolonun modeli görülmektedir (üstte sağda). Bu kortikal kolonun modellenmesinde, deneysel veriler tek sinir hücresi düzeyinden başlayarak, sinir hücrelerinin birbirleriyle olan ilişkileri takip edilerek, daha geniş bir ölçekteki sinir ağına matematiksel modeller kullanılarak aktarıldılar. Sıçan beynine ait tek bir kolonun modellenmesi (10 bin sinir hücresi), işin çok küçük bir parçası. İnsan Beyin Projesi ile bu modelin insan beyni düzeyine aktarılması hedefleniyor. Projenin, modellemede kullanılacak bilgisayarların kapasitesi ve hızının seyrine göre ilerlemesi hedefleniyor (üsste solda) (Kaynak: Blue Brain Project, EPFL Computer modelling: Brain in a box M. Mitchell Waldr)

Projenin en önemli ihtiyaç kalemi, milyarlarca sinir hücresinin aktivitesini modelleyecek süper bilgisayarlar. Bu konuda IBM ile işbirliğine giden araştırmacılar, işlemcilerin hızındaki artışın projenin ihtiyaçlarını karşılayacak bir ivmeye sahip olduğu görüşünü taşıyor.

İnsan Beyin Projesi’nin geniş bir konsorsiyum olması, farklı laboratuvarlarda süregiden deneysel çalışmaları bir araya getirecek olması büyük önem taşıyor. Proje, on yıl içinde, insan beynini bir bütün olarak modellemeyi hedeflerken, konuya temkinli yaklaşanlar da var. Konunun eleştirmenleri, varolan modelin beynin farklı yörelerinin birbiriyle etkileşimini açıklamada yeterli veriye sahip olmadığı görüşünü paylaşıyor.

Avrupa Birliği’nin 1 milyarlık Beyin Projesi’nin bilim camiasını kasıp kavurduğu bir dönemde, gündeme bomba gibi düşen bir diğer haber de Obama’nın basın toplantısı düzenleyerek Beyin Girişimi’ni halkla paylaşması oldu. 3 milyar dolarlık bütçeyle kamuoyuna tanıtılan projenin hedefi insan beynindeki tüm sinir hücrelerinin faaliyetlerini haritalamak olarak özetlendi. Özellikle, ölçüm tekniklerinin geliştirilmesi konusunda teknolojik bir yatırım boyutu da taşıyan proje, ABD’deki bir dizi laboratuvarın ortak çalışması olarak tasarlanıyor.

Sonuç yerine
Aslında insan beyninin şifresinin çözülmesi, bilimkurgu filmi senaryolarına taş çıkaracak kadar uçuk projeleri gündeme getirebilir. Sibernetik alanında çağ atlamamıza neden olabilir. Akıllı robotlarla çevrili bir dünyanın başlangıcını ilan edebilir. Bu kısmını belki bir ütopya olarak okuyabiliriz. Ama belki bu kadar uzağa gitmeden, en basiti, sinirsel hastalıkların anlaşılmasına ve tedavisine katkı sağlayabilir. En önemlisi, insanın evrimsel yolculuğundaki kaptanın seyir defterini gözler önüne serebilir. Öte yandan, bu kadar heyecanlı görünmesine rağmen, çoğunlukla kamu kaynaklarıyla yürütülen bu bilimsel faaliyetlerin ürünlerinin, zengin ülkelerde bile toplumun çoğunluğuna yansımasının çok uzun zaman aldığını, ürünleri anında kullanabilenlerin çok sınırlı bir zengin kesim olduğunu da unutmamak gerekiyor.

Şurası açık ki, kapitalizmin altedildiği bir dünyada, beynin şifrelerini dize getirmek ve hediyelerinin tadını çıkarmak çok daha keyifli ve heyecan verici olacak.

Ek kaynakça:
Neuroscience: Solving the brain, Alison Abbott Nature 499, 272–274 (18 July 2013)
High-throughput anatomy: Charting the brain’s networks Vivien Marx Nature
490, 293–298 (11 October 2012)
Neuroscience: Making connections Jon Bardin Nature 483, 394–396 (22 March 2012)

Bu yazı ilk olarak soL gazetesinin BilimsoL ekinin 8 Ağustos 2013 tarihindeki dosya konusu olarak yayınlanmıştır.
BilimsoL ekibinden Özgür Genç hazırladı.
facebook.com/BilimsoL
twitter.com/BilimsoL