İnsan beyni o kadar karmaşıktır ki, bilimsel beyinler bunu anlamakta zorlanır. Bir kum tanesinin büyüklüğündeki bir nöronal doku parçası, kilometrelik kilometrelerce kablolanan yüz binlerce hücre ile paketlenebilir. 1979'da Nobel tarafından yazılmış bilim adamı Francis Crick, sadece bir kübik milimetre beyin maddesindeki anatominin ve aktivitenin anlayışımızı sonsuza dek aşacağı sonucuna vardı.
“İmkansızı sormak gerekmez,” diye yazdı Dr. Crick.
46 yıl sonra, 100'den fazla bilim insanından oluşan bir ekip, hücresel aktiviteyi kaydederek ve yapıyı bir farenin beyninin kübik milimetresinde tasvir ederek bu imkansız hale getirdi. Bu başarıyı yerine getirirken, 1.6 veri topladılar Petabyte-Das 22 yıllık kesintisiz yüksek tanımlı videoya karşılık geliyor.
Çarşamba günü Nature dergisinde yayınlanan çalışmaya dahil olmayan Vermont Üniversitesi'nde sinirbilimci Davi Bock, “Bu bir kilometre taşı” dedi. Bock, bir beyin kübik milimetre çizmeyi mümkün kılan ilerlemenin yeni bir hedef için iyi bir hedef olduğunu söyledi: bir farenin tüm beyninin kablolarının haritalanması.
“Tamamen mümkün ve bence buna değer” dedi.
İspanyol sinirbilimci Santiago Ramón y Cajal'ın ilk olarak mikroskop altında bireysel nöronlara göz atmasından ve kendine özgü dallı formlarını vurguladığından bu yana 130 yıldan fazla geçti. Daha sonraki nesiller bilim adamları, bir nöronun akson adı verilen uzun bir kolda bir voltaj alanı nasıl çağırdığı hakkında birçok ayrıntı geliştirdi. Her akson, komşu nöronların küçük dalları veya dendritleri ile temas halindedir. Bazı nöronlar komşularını kendi gerginliklerini çekmek için heyecanlandırır. Bazıları diğer nöronları sakinleştirir.
İnsan düşüncesi bir şekilde bu heyecan ve inhibisyon karışımından kaynaklanır. Ancak bunun nasıl olduğu muazzam bir sır olarak kaldı, çünkü özellikle bilim adamları sadece birkaç nöronu aynı anda inceleyebildikleri için.
Son birkaç on yılda, teknolojik ilerlemeler bilim adamlarının beynin yemeklerini bütünüyle başlatmalarını sağladı. 1986'da İngiliz araştırmacılar 302 nörondan oluşan küçük bir solucanın devresini yayınladı. Sonraki yıllarda, araştırmacılar bir sinek beynindeki 140.000 nöron gibi daha büyük beyinler kaydetti.
Dr. Crick'in imkansız rüyası mümkün olabilir mi? 2016 yılında, Amerikan hükümeti bir kübik milimetre fare beynini taramak için 100 milyon ABD doları başladı. Proje – kortikal ağlardan veya mikrometrelerden gelen makine zekası – Beyin Bilimi Enstitüleri, Princeton Üniversitesi ve Baylor Tıp Fakültesi'ndeki bilim adamları tarafından yönetildi.
Araştırmacılar, gözlerden sinyaller alan ve hayvanın gördüğünü yeniden yapılandıran fare beyninin bir kısmını aldı. Araştırmanın ilk aşamasında ekip, çeşitli manzaraların fare videolarını gösterdiği için bu bölgedeki nöronların aktivitesini kaydetti.
Araştırmacılar daha sonra fare beynini parçaladılar ve kübik milimetreyi sertleştirici kimyasallarla döktüler. Sonra doku bloğundan 28.000 dilim traş ettiler ve herkesin bir resmini yakaladılar. Bilgisayarlar, her bölmedeki hücrelerin ana hatlarını tanımlamak ve bölmeleri üç boyutlu şekillerle bağlamak için eğitilmiştir. Toplamda, ekip 523 milyon nöronal bağlantı ile birlikte 200.000 nöron ve diğer beyin hücresi türleri kaydetti.
Tüm enstitülerde biyolog ve projenin yöneticilerinden biri olan Nuno da Costa için, hücreleri sadece bilgisayar ekranında gözlemlemek nefes kesici oldu. “Bu nöronlar kesinlikle nefes kesici – bundan hoşlanıyorum” dedi.
Bu nöron ağının nasıl çalıştığını anlamak için Dr. Costa ve meslektaşları, fare videoları izlediğinde kaydedildi.
Da Costa, “80.000 kişiyle bir partiye geldiğinizi ve her konuşmanın farkında olabileceğinizi hayal edin, ancak kiminle konuştuğunu bilmiyorsunuz,” dedi Da Da Costa. “Ve şimdi kiminle konuştuğunu bilmek için bir yolunuz olduğunu hayal edin, ancak ne dediğiniz hakkında hiçbir fikriniz yok. Bu iki şeye sahipseniz, partide neler olduğu hakkında daha iyi bir hikaye anlatabilirsiniz.”
Araştırmacılar verileri analiz ettiler ve beynin kablolamasında daha önce dikkat çeken kalıpları keşfettiler. Örneğin, sadece diğer bazı nöron türleriyle birleşen farklı türde inhibitör nöronlar belirlediler.
Harvard'da Micron Projesi'nde yer almayan bir biyofizikçi olan Mariela Petkova, “Beyni incelerseniz, bir şekilde umutsuz görünüyor – sadece çok fazla bağlantı ve çok fazla karmaşıklık var.” Dedi. “Kablolama kurallarını bulmak bir zafer. Beyin insanların düşündüğünden çok daha az kaotik” dedi.
Micron araştırmacılarının çoğu artık daha büyük bir projeye bağlı: Bütün bir farenin beyninin haritalanması. 500 kübik milimetrelik bir hacim ile, tam bir beyin mevcut yöntemlerle on yıllar veya yüzyıllar alacaktır. Bilim adamları projeyi on yıl içinde sona erdirmek için ek hileler bulmalıdır.
Micron projesinde yer almayan Cambridge Üniversitesi'nde bir sinirbilimci olan Gregory Jefferis, “Buraya ulaşmak için zaten yapmak zorunda oldukları kahraman” dedi. “Ama hala tırmanacak bir dağımız var.”
Tüm Enstitülerde Micron Projesi üyesi Forrest Collman iyimser. O ve meslektaşları yakın zamanda bir fare beyninden mikroskobik ince bölümlerin nasıl yapılacağını keşfettiler. “Bu engellerden bazıları düşmeye başlar,” dedi Dr. Collman.
Ancak bir fareden yaklaşık bin kat daha büyük olan kendi beynimizin çok daha büyük bir zorluğu temsil ettiğini de sözlerine ekledi. “İnsan beyni şu anda mümkün olan aralığın dışında gibi hissediyor” dedi. “Yakında oraya gitmiyoruz.”
Princeton'da bir nörobilimci ve Mikromikron Projesi üyesi Sebastian Seung, fare beyni ve insan beyninin yeterince benzer olduğunu buldu, böylece araştırmacılar, zararlı yan etkilere neden olmadan psikolojik bozuklukları etkili bir şekilde tedavi etmek için ilaç bulmalarına yardımcı olabilecek bilgilere yardımcı olabilecek bilgilere yardımcı olabilir.
Dr. Sung, “Sinir sistemini manipüle etmek için mevcut yöntemlerimiz inanılmaz derecede künt enstrümanlar.” Dedi. “Bir ilaç kullandılar ve her yere gidiyor,” diye ekledi. “Ama aslında bir hücre tipini elde edebilmek ve manipüle etmek – bu hassasiyettir.”
Bütün bir fare beynini haritalama çabaları, Beyin Girişimi adlı Ulusal Sağlık Enstitüsü için uzun vadeli bir programın finanse edilmesiyle desteklenmektedir. Ancak çabanın geleceği belirsizdir. Geçen yıl, Kongre beyin girişiminin finansmanını yüzde 40 oranında azalttı ve geçen ay Başkan Trump yüzde 20 daha fazla bir hukuk şablonu imzaladı.
Dr. Bock, kısmen yeni teknolojilerin ve yazılımların icadını yakaladıkları için mikrometreler gibi beynin çabalarının yıllar sürdüğünü belirtti.
“Bu uzun vadeli hedefleri gerçekleştirmek için bilim finansmanının tutarlılığına ve öngörülebilirliğine ihtiyacımız var.” Dedi.
“İmkansızı sormak gerekmez,” diye yazdı Dr. Crick.
46 yıl sonra, 100'den fazla bilim insanından oluşan bir ekip, hücresel aktiviteyi kaydederek ve yapıyı bir farenin beyninin kübik milimetresinde tasvir ederek bu imkansız hale getirdi. Bu başarıyı yerine getirirken, 1.6 veri topladılar Petabyte-Das 22 yıllık kesintisiz yüksek tanımlı videoya karşılık geliyor.
Çarşamba günü Nature dergisinde yayınlanan çalışmaya dahil olmayan Vermont Üniversitesi'nde sinirbilimci Davi Bock, “Bu bir kilometre taşı” dedi. Bock, bir beyin kübik milimetre çizmeyi mümkün kılan ilerlemenin yeni bir hedef için iyi bir hedef olduğunu söyledi: bir farenin tüm beyninin kablolarının haritalanması.
“Tamamen mümkün ve bence buna değer” dedi.
İspanyol sinirbilimci Santiago Ramón y Cajal'ın ilk olarak mikroskop altında bireysel nöronlara göz atmasından ve kendine özgü dallı formlarını vurguladığından bu yana 130 yıldan fazla geçti. Daha sonraki nesiller bilim adamları, bir nöronun akson adı verilen uzun bir kolda bir voltaj alanı nasıl çağırdığı hakkında birçok ayrıntı geliştirdi. Her akson, komşu nöronların küçük dalları veya dendritleri ile temas halindedir. Bazı nöronlar komşularını kendi gerginliklerini çekmek için heyecanlandırır. Bazıları diğer nöronları sakinleştirir.
İnsan düşüncesi bir şekilde bu heyecan ve inhibisyon karışımından kaynaklanır. Ancak bunun nasıl olduğu muazzam bir sır olarak kaldı, çünkü özellikle bilim adamları sadece birkaç nöronu aynı anda inceleyebildikleri için.
Son birkaç on yılda, teknolojik ilerlemeler bilim adamlarının beynin yemeklerini bütünüyle başlatmalarını sağladı. 1986'da İngiliz araştırmacılar 302 nörondan oluşan küçük bir solucanın devresini yayınladı. Sonraki yıllarda, araştırmacılar bir sinek beynindeki 140.000 nöron gibi daha büyük beyinler kaydetti.
Dr. Crick'in imkansız rüyası mümkün olabilir mi? 2016 yılında, Amerikan hükümeti bir kübik milimetre fare beynini taramak için 100 milyon ABD doları başladı. Proje – kortikal ağlardan veya mikrometrelerden gelen makine zekası – Beyin Bilimi Enstitüleri, Princeton Üniversitesi ve Baylor Tıp Fakültesi'ndeki bilim adamları tarafından yönetildi.
Araştırmacılar, gözlerden sinyaller alan ve hayvanın gördüğünü yeniden yapılandıran fare beyninin bir kısmını aldı. Araştırmanın ilk aşamasında ekip, çeşitli manzaraların fare videolarını gösterdiği için bu bölgedeki nöronların aktivitesini kaydetti.
Araştırmacılar daha sonra fare beynini parçaladılar ve kübik milimetreyi sertleştirici kimyasallarla döktüler. Sonra doku bloğundan 28.000 dilim traş ettiler ve herkesin bir resmini yakaladılar. Bilgisayarlar, her bölmedeki hücrelerin ana hatlarını tanımlamak ve bölmeleri üç boyutlu şekillerle bağlamak için eğitilmiştir. Toplamda, ekip 523 milyon nöronal bağlantı ile birlikte 200.000 nöron ve diğer beyin hücresi türleri kaydetti.
Tüm enstitülerde biyolog ve projenin yöneticilerinden biri olan Nuno da Costa için, hücreleri sadece bilgisayar ekranında gözlemlemek nefes kesici oldu. “Bu nöronlar kesinlikle nefes kesici – bundan hoşlanıyorum” dedi.
Bu nöron ağının nasıl çalıştığını anlamak için Dr. Costa ve meslektaşları, fare videoları izlediğinde kaydedildi.
Da Costa, “80.000 kişiyle bir partiye geldiğinizi ve her konuşmanın farkında olabileceğinizi hayal edin, ancak kiminle konuştuğunu bilmiyorsunuz,” dedi Da Da Costa. “Ve şimdi kiminle konuştuğunu bilmek için bir yolunuz olduğunu hayal edin, ancak ne dediğiniz hakkında hiçbir fikriniz yok. Bu iki şeye sahipseniz, partide neler olduğu hakkında daha iyi bir hikaye anlatabilirsiniz.”
Araştırmacılar verileri analiz ettiler ve beynin kablolamasında daha önce dikkat çeken kalıpları keşfettiler. Örneğin, sadece diğer bazı nöron türleriyle birleşen farklı türde inhibitör nöronlar belirlediler.
Harvard'da Micron Projesi'nde yer almayan bir biyofizikçi olan Mariela Petkova, “Beyni incelerseniz, bir şekilde umutsuz görünüyor – sadece çok fazla bağlantı ve çok fazla karmaşıklık var.” Dedi. “Kablolama kurallarını bulmak bir zafer. Beyin insanların düşündüğünden çok daha az kaotik” dedi.
Micron araştırmacılarının çoğu artık daha büyük bir projeye bağlı: Bütün bir farenin beyninin haritalanması. 500 kübik milimetrelik bir hacim ile, tam bir beyin mevcut yöntemlerle on yıllar veya yüzyıllar alacaktır. Bilim adamları projeyi on yıl içinde sona erdirmek için ek hileler bulmalıdır.
Micron projesinde yer almayan Cambridge Üniversitesi'nde bir sinirbilimci olan Gregory Jefferis, “Buraya ulaşmak için zaten yapmak zorunda oldukları kahraman” dedi. “Ama hala tırmanacak bir dağımız var.”
Tüm Enstitülerde Micron Projesi üyesi Forrest Collman iyimser. O ve meslektaşları yakın zamanda bir fare beyninden mikroskobik ince bölümlerin nasıl yapılacağını keşfettiler. “Bu engellerden bazıları düşmeye başlar,” dedi Dr. Collman.
Ancak bir fareden yaklaşık bin kat daha büyük olan kendi beynimizin çok daha büyük bir zorluğu temsil ettiğini de sözlerine ekledi. “İnsan beyni şu anda mümkün olan aralığın dışında gibi hissediyor” dedi. “Yakında oraya gitmiyoruz.”
Princeton'da bir nörobilimci ve Mikromikron Projesi üyesi Sebastian Seung, fare beyni ve insan beyninin yeterince benzer olduğunu buldu, böylece araştırmacılar, zararlı yan etkilere neden olmadan psikolojik bozuklukları etkili bir şekilde tedavi etmek için ilaç bulmalarına yardımcı olabilecek bilgilere yardımcı olabilecek bilgilere yardımcı olabilir.
Dr. Sung, “Sinir sistemini manipüle etmek için mevcut yöntemlerimiz inanılmaz derecede künt enstrümanlar.” Dedi. “Bir ilaç kullandılar ve her yere gidiyor,” diye ekledi. “Ama aslında bir hücre tipini elde edebilmek ve manipüle etmek – bu hassasiyettir.”
Bütün bir fare beynini haritalama çabaları, Beyin Girişimi adlı Ulusal Sağlık Enstitüsü için uzun vadeli bir programın finanse edilmesiyle desteklenmektedir. Ancak çabanın geleceği belirsizdir. Geçen yıl, Kongre beyin girişiminin finansmanını yüzde 40 oranında azalttı ve geçen ay Başkan Trump yüzde 20 daha fazla bir hukuk şablonu imzaladı.
Dr. Bock, kısmen yeni teknolojilerin ve yazılımların icadını yakaladıkları için mikrometreler gibi beynin çabalarının yıllar sürdüğünü belirtti.
“Bu uzun vadeli hedefleri gerçekleştirmek için bilim finansmanının tutarlılığına ve öngörülebilirliğine ihtiyacımız var.” Dedi.