10 yıllık emek ürünü: İlk kez bir hayvan beyninin eksiksiz haritası çıkarıldı

Bir sirke sineğinin beyninin haşhaş tohumundan daha küçük olduğunu biliyor muydunuz? Peki ya böyle minnacık alana muazzam bir karmaşıklık sığdırdıklarını? 140 binden fazla nöron, 149 metre uzunluğundaki ağlarla birbirine bağlanmış durumda. Hayal edemiyorsanız uzunluğunu anlatmak için somut bir örnek verelim: Dört mavi balinayı yan yana getirirseniz bu uzunluğu elde edersiniz ancak.

Yüzlerce bilim insanı bir araya gelerek bu bağlantıları çarpıcı ayrıntılarıyla haritalandırdı. Sonuçları da Nature dergisinde yayınladılar. Bu ağ haritası bilimsel adı Drosophila melanogaster olan sinek sineğini nesillerdir inceleyen araştırmacılar için de bir nimet olacak.

Şimdiye kadar beyni yeniden yapılandırılan tek yetişkin hayvan olan sirke sineğinin sinir sisteminde 385 nöron var. Princeton nörobiyologu, bu çalışmaya da destek veren Mala Murthy ilk kez karmaşık bir beynin böyle detaylı bir haritasının çıkarıldığını söylüyor. Araştırmacılar sinek beyninin yapısını analiz ederek diğer türler için de geçerli olan düzenleri ortaya çıkarabileceğimizi söylüyor. Buna 86 milyar nörona sahip insanlar da dahil.

Araştırmacılar bu çalışmada duyusal sinirlerin beyinden nasıl geçtiğini ve beyni komutlar vermeye nasıl ittiklerini çözmeye çalıştı. Bu şekilde bir sinek beyninin tamamının simülasyonunu çıkardılar. Uyarıcı tatlar sunulduğunda yapay beyin dili dışarı çıkarmak için sinyaller üretiyordu.

Her şey 2013’te başladı

Bu haritalama işlemi 2013 yılında, o zamanlar ABD’deki Howard Hughes Tıp Enstitüsü’nün Janelia Araştırma Kampüsü’nde sinirbilimci olarak çalışan Davi Bock ve meslektaşlarının yetişkin bir sineğin beynini kimyasal banyoya sokarak katı bir blok haline getirmesiyle başladı. Bloğun üstünden çok ince bir tabakayı atarak mikroskop aracılığıyla görüntünün fotoğrafını çektiler. Daha sonra bir katmanı daha atan bilim insanları bir fotoğraf daha çekti. Beynin tamamını oluşturabilmek için 7050 kesit alındı ve 21 milyon fotoğraf çekildi.

İş bununla da bitmiyordu ki. Bu görüntüleri yorumlayabilmek de lazımdı. Bunun için bir yazılım geliştirildi. Bilgisayar her bir fotoğraftaki nöronları tanıyacak ve bunları üç boyutlu hücrelerin arasına sıkıştıracak şekilde programlanmıştı. Bilgisayar bazen birbirinin içinden geçen iki nöron oluşturmak gibi hatalar yapıyordu. Ama sirke sineği uzmanları ve meraklıları, haritayı inceleyerek hataları tek tek düzeltiyordu.

Bilim insanlarının sinek beyninin ilk yüksek çözünürlüklü modelini çıkarabilmesi 10 yıldan fazla sürdü. Cambridge Üniversitesi’nde sinirbilimci olan Gregory Jefferies ve meslektaşları nöronların farklı şekillerine dayanarak 8453 farklı hücre tipi olduğu sonucuna vardı. Bu da bir beyindeki en büyük hücre tipi olduğunu gösterdi. Bilim insanları insan beyninde sadece 3300 hücre tipi olduğunu biliyor.

Son adım: Yapay beynin nöronlara verdiği yanıtlar

Araştırmacılar nöronları harita üstünden izleyerek farklı hücre tiplerinin ne işe yaradığına dair ipuçları elde etti. Örneğin bazı nöronlar hareket eden sineklere durmalarını emrediyordu. Bir ağ devresi hareket etme komutunu bloke ederek sinekleri durdururken, ikincisi bacak eklemlerini sertleştirerek sineği durduruyordu. California Üniversitesi’nden Philip Shiu ve meslektaşları bu haritadan faydalanarak hücrelere sinyalleri ileten nöronlardan sanal sinek beyni oluşturdu.

Shiu’nun ekibi simüle ettikleri beynin yiyeceğe nasıl tepki verdiğini inceledi. Sineklerin dile benzeyen hortumları şekere duyarlı nöronlarla kaplıdır. Araştırmacılar bu nöronları harekete geçirerek sinyallerin sineğin beyninde nasıl dolaştığını izlediler. Simüle edilmiş beyin, gerçek bir beynin yapacağını yaptı. Sineğin yemek yiyebilmesi için hortumunun dışarı çıkmasını emretti. Eğer sanal sinek hortumunun sadece sağ tarafında şeker tadı alıyorsa beyin onun sağa doğru eğilmesi için komutlar veriyordu.

Şimdi araştırmacıların hedefi çok daha büyük: Bir sineğin yaklaşık bin katı kadar nörona sahip farelerin beyni! Bunun çok daha meşakkatli olacağı su götürmez bir gerçek ama artık sirke sineğinin beyin haritası tamamlandığına göre araştırmacıların önü açık!

10’ca bilim arasından: Beynimizin büyümesini neye borçluyuz?