Son teknolojik gelişmeler, biyolojinin en büyük bilinmezine, beynin gerçekten nasıl çalıştığı sorusuna ışık tutuyor
Bilim insanları beyin hakkında giderek o kadar çok şey öğreniyor ki, geçmişimizin büyük bölümünde beynin nasıl çalıştığı, hatta ne olduğu konusunda hemen hiçbir şey bilmediğimizi hatırlamıyoruz bile. Eski çağlarda, hekimler beynin balgamdan oluştuğuna inanıyordu. Aristo beyni, ateşli kalbi soğutan bir buzdolabı gibi görüyordu. Aristo’nun döneminden Rönesans’a, anatomi uzmanları –büyük bir otoriteyle– tüm algı, duygu, mantık ve davranışlarımızın, başımızın içindeki boşluklarda gezinen ve vücutlarımızda dolaşan gizemli, bilinmez bir buhar olarak tanımlanan “hayvansal ruhlar”ın bir sonucu olduğunu ifade etmişlerdi.
17. yüzyılda yaşanan bilim devrimiyle, değişim başladı. Britanyalı hekim Thomas Willis, beynin muhallebi kıvamındaki dokusunun, zihin dünyamıza ev sahipliği yaptığını fark etmiş; nasıl çalıştığını anlamak için de koyun, köpek ve ölen hastalarının beyinlerini açıp beynin ilk “doğru” haritalarını çıkarmıştı.
Araştırmacıların beynin elektriksel bir organ olduğunu anlaması için bir asır daha geçecekti. Beyinde hayvansal ruhlar değil, voltaj dikenleri dolanıyor ve oradan dışarıya, yani bedenin sinir sistemine yayılıyordu.
Ancak 19. yüzyılda dahi bilim insanları bu akımların izlediği yollar hakkında pek bir şey bilmiyordu. İtalyan hekim Camillo Golgi, beynin birbirine kesintisiz bağlı bir ağ olduğunu öne sürmüştü. Golgi’nin araştırmalarını devam ettiren İspanyol bilim insanı Santiago Ramón y Cajal, karmaşık dallarını görebilmek, ayrı ayrı nöronları boyamak için yeni yöntemler denemişti. Cajal, Golgi’nin göremediğini görmüş, her bir nöronun diğerlerinden ayrı birer hücre olduğu fark etmişti. (Nöronlar, akson denilen çıkıntılardan sinyaller gönderiyor. Aksonların ucuyla nöronların dendrit adı verilen alıcı uçları arasında minicik bir aralık var.) Bilim insanları daha sonraları, aksonların komşu nöronda bir sinyali tetiklemek için bu aralığa bir kimyasal kokteyl bıraktığını da keşfedecekti.
Harvard Üniversitesi'nde Ramón y Cajal Fen Edebiyat Kürsüsü Profesörü olan sinirbilimci Jeff Lichtman, Cajal’ın projesini 21. yüzyıla taşıyan isim. Lichtman ve meslektaşları, elle boyanmış nöronların mürekkeple çizimlerini yapmak yerine, nöronların her bir çıkıntısını ve uzantısını ortaya koyan, olağanüstü ayrıntılı, üçboyutlu görsellerini yaratıyor. Her bir sinir hücresinin karmaşık yapısının iyice içine girerek, sonunda beynin doğasına dair en temel bazı sorulara yanıt bulabilirler belki de. Bir nöronda ortalama 10 bin sinaps bulunuyor. Bunların diğer nöronlarla bağlantılarının bir sırası var mı, yoksa bu gelişigüzel mi gerçekleşiyor? Peki bağlanmayı tercih ettikleri belli bir nöron tipi olabilir mi?
Lichtman ve meslektaşları görselleri elde etmek için muhafaza edilmiş fare beyni parçalarını, şarküteri dilimleme makinelerinin nöro–anatomik bir versiyonuna koyuyor ve bu cihaz, her biri bir saç telinin binde birinden az kalınlıkta doku katmanları dilimliyor. Araştırmacılar bir elektron mikroskobuyla her bir kesitin görüntüsünü alıp bilgisayar yardımıyla görselleri sıralı biçimde istifliyor. Yavaş yavaş üçboyutlu, araştırmacıların adeta sualtında bir yosun ormanından geçen bir denizaltı gibi inceleyebileceği bir görsel biçimleniyor.
Lichtman, “Her şey görünür oluyor,” diyor. Tek sorun, bu “her şey”in olağanüstü devasa olması. Lichtman’la meslektaşlarının bugüne dek yeniden yaratmayı başarabildiği fare beyninin hacmi, olsa olsa bir tuz taneciği kadar. İçerdiği veri, toplamda yüz terabiti buluyor, ki bu da yüksek çözünürlükte yaklaşık 25 bin filmin içerdiği veriye eşdeğer.
İşin asıl zor bölümüyse, araştırmacıların bu bilgileri toparlamasından sonra başlıyor. Yani, beynin görünürdeki karmaşasını düzenleyen kuralları arama işi. Lichtman’ın doktora sonrası araştırmacısı Narayanan Kasthuri bir süre önce, sadece bin mikronküp –bir tuz taneciğinin 100 binde biri– hacminde silindirik bir parça fare beyni dokusunun her bir ayrıntısını analiz etmeye soyunmuş. Tek bir aksonun kısa bir parçasını çevreleyen bir alanı seçip buradan geçen her bir nöronu belirlemeyi hedeflemiş. Ve o minicik beyin parçasının, kıvrım kıvrım yılanlarla dolu bir varilden farksız olduğunu görmüş.
Kasthuri’nin burada bulduğu bin akson ve 80 kadar dendritin her biri, o silindirik parçanın içindeki diğer nöronlarla yaklaşık 600’er bağlantı kuruyor. “Bu, beynin bizim düşündüğümüzden çok daha karmaşık olduğunu anlamamıza yaradı,” diyor Lichtman.
Karmaşık, ama gelişigüzel değil. Lichtman ve Kasthuri, her bir nöronun hemen hemen tüm bağlantılarını sadece bir diğer nöronla yaptığını, çevresini sıkı sıkı saran neredeyse diğer tüm nöronlarla bağ kurmaktan ise özenle kaçındığını keşfetmiş. Lichtman, “Kime bağlandıklarına önem veriyorlar gibi görünüyor,” diyor.
Bu titiz örüntü genel bir kural mı, yoksa fare beyninden örnek aldığı o minicik bölgenin bir özelliği mi? Lichtman bu noktadan henüz emin değil. Teknolojiyi geliştirmelerine rağmen, Lichtman ve meslektaşlarının bir faredeki 70 milyon nöronun her birini tamamen taraması iki yıllarını alacak. Bir fare beyninden bin kat daha fazla nöron içeren insan beyninin tamamını tarama konusunu açıyorum. “O meseleye pek takılmıyorum,” diyor gülerek. “Fazla acı veren bir konu.”
Yazar: Carl Zimmer (National Geographic Türkiye)
Bilim insanları beyin hakkında giderek o kadar çok şey öğreniyor ki, geçmişimizin büyük bölümünde beynin nasıl çalıştığı, hatta ne olduğu konusunda hemen hiçbir şey bilmediğimizi hatırlamıyoruz bile. Eski çağlarda, hekimler beynin balgamdan oluştuğuna inanıyordu. Aristo beyni, ateşli kalbi soğutan bir buzdolabı gibi görüyordu. Aristo’nun döneminden Rönesans’a, anatomi uzmanları –büyük bir otoriteyle– tüm algı, duygu, mantık ve davranışlarımızın, başımızın içindeki boşluklarda gezinen ve vücutlarımızda dolaşan gizemli, bilinmez bir buhar olarak tanımlanan “hayvansal ruhlar”ın bir sonucu olduğunu ifade etmişlerdi.
17. yüzyılda yaşanan bilim devrimiyle, değişim başladı. Britanyalı hekim Thomas Willis, beynin muhallebi kıvamındaki dokusunun, zihin dünyamıza ev sahipliği yaptığını fark etmiş; nasıl çalıştığını anlamak için de koyun, köpek ve ölen hastalarının beyinlerini açıp beynin ilk “doğru” haritalarını çıkarmıştı.
Araştırmacıların beynin elektriksel bir organ olduğunu anlaması için bir asır daha geçecekti. Beyinde hayvansal ruhlar değil, voltaj dikenleri dolanıyor ve oradan dışarıya, yani bedenin sinir sistemine yayılıyordu.
Ancak 19. yüzyılda dahi bilim insanları bu akımların izlediği yollar hakkında pek bir şey bilmiyordu. İtalyan hekim Camillo Golgi, beynin birbirine kesintisiz bağlı bir ağ olduğunu öne sürmüştü. Golgi’nin araştırmalarını devam ettiren İspanyol bilim insanı Santiago Ramón y Cajal, karmaşık dallarını görebilmek, ayrı ayrı nöronları boyamak için yeni yöntemler denemişti. Cajal, Golgi’nin göremediğini görmüş, her bir nöronun diğerlerinden ayrı birer hücre olduğu fark etmişti. (Nöronlar, akson denilen çıkıntılardan sinyaller gönderiyor. Aksonların ucuyla nöronların dendrit adı verilen alıcı uçları arasında minicik bir aralık var.) Bilim insanları daha sonraları, aksonların komşu nöronda bir sinyali tetiklemek için bu aralığa bir kimyasal kokteyl bıraktığını da keşfedecekti.
Harvard Üniversitesi'nde Ramón y Cajal Fen Edebiyat Kürsüsü Profesörü olan sinirbilimci Jeff Lichtman, Cajal’ın projesini 21. yüzyıla taşıyan isim. Lichtman ve meslektaşları, elle boyanmış nöronların mürekkeple çizimlerini yapmak yerine, nöronların her bir çıkıntısını ve uzantısını ortaya koyan, olağanüstü ayrıntılı, üçboyutlu görsellerini yaratıyor. Her bir sinir hücresinin karmaşık yapısının iyice içine girerek, sonunda beynin doğasına dair en temel bazı sorulara yanıt bulabilirler belki de. Bir nöronda ortalama 10 bin sinaps bulunuyor. Bunların diğer nöronlarla bağlantılarının bir sırası var mı, yoksa bu gelişigüzel mi gerçekleşiyor? Peki bağlanmayı tercih ettikleri belli bir nöron tipi olabilir mi?
Lichtman ve meslektaşları görselleri elde etmek için muhafaza edilmiş fare beyni parçalarını, şarküteri dilimleme makinelerinin nöro–anatomik bir versiyonuna koyuyor ve bu cihaz, her biri bir saç telinin binde birinden az kalınlıkta doku katmanları dilimliyor. Araştırmacılar bir elektron mikroskobuyla her bir kesitin görüntüsünü alıp bilgisayar yardımıyla görselleri sıralı biçimde istifliyor. Yavaş yavaş üçboyutlu, araştırmacıların adeta sualtında bir yosun ormanından geçen bir denizaltı gibi inceleyebileceği bir görsel biçimleniyor.
Lichtman, “Her şey görünür oluyor,” diyor. Tek sorun, bu “her şey”in olağanüstü devasa olması. Lichtman’la meslektaşlarının bugüne dek yeniden yaratmayı başarabildiği fare beyninin hacmi, olsa olsa bir tuz taneciği kadar. İçerdiği veri, toplamda yüz terabiti buluyor, ki bu da yüksek çözünürlükte yaklaşık 25 bin filmin içerdiği veriye eşdeğer.
İşin asıl zor bölümüyse, araştırmacıların bu bilgileri toparlamasından sonra başlıyor. Yani, beynin görünürdeki karmaşasını düzenleyen kuralları arama işi. Lichtman’ın doktora sonrası araştırmacısı Narayanan Kasthuri bir süre önce, sadece bin mikronküp –bir tuz taneciğinin 100 binde biri– hacminde silindirik bir parça fare beyni dokusunun her bir ayrıntısını analiz etmeye soyunmuş. Tek bir aksonun kısa bir parçasını çevreleyen bir alanı seçip buradan geçen her bir nöronu belirlemeyi hedeflemiş. Ve o minicik beyin parçasının, kıvrım kıvrım yılanlarla dolu bir varilden farksız olduğunu görmüş.
Kasthuri’nin burada bulduğu bin akson ve 80 kadar dendritin her biri, o silindirik parçanın içindeki diğer nöronlarla yaklaşık 600’er bağlantı kuruyor. “Bu, beynin bizim düşündüğümüzden çok daha karmaşık olduğunu anlamamıza yaradı,” diyor Lichtman.
Karmaşık, ama gelişigüzel değil. Lichtman ve Kasthuri, her bir nöronun hemen hemen tüm bağlantılarını sadece bir diğer nöronla yaptığını, çevresini sıkı sıkı saran neredeyse diğer tüm nöronlarla bağ kurmaktan ise özenle kaçındığını keşfetmiş. Lichtman, “Kime bağlandıklarına önem veriyorlar gibi görünüyor,” diyor.
Bu titiz örüntü genel bir kural mı, yoksa fare beyninden örnek aldığı o minicik bölgenin bir özelliği mi? Lichtman bu noktadan henüz emin değil. Teknolojiyi geliştirmelerine rağmen, Lichtman ve meslektaşlarının bir faredeki 70 milyon nöronun her birini tamamen taraması iki yıllarını alacak. Bir fare beyninden bin kat daha fazla nöron içeren insan beyninin tamamını tarama konusunu açıyorum. “O meseleye pek takılmıyorum,” diyor gülerek. “Fazla acı veren bir konu.”
Yazar: Carl Zimmer (National Geographic Türkiye)
