Hücresel düzeyde bir beyin atlası çıkarma işlemi, tüm insan beyninin haritasını çıkarmak için gereken muazzam zaman ve teknik karmaşıklık nedeniyle şimdiye kadar çok daha küçük hayvanlarla veya insan beyninin daha küçük bölümleriyle sınırlıydı. Ancak yeni bir çalışma ile durumun değişmesi söz konusu olabilir.
Columbia Üniversitesi ve Icahn Tıp Okulu’ndaki araştırmacılar, 180 milyar hücre ve sayım dahil olmak üzere tüm insan beyninin detaylı haritasını oluşturmak için bir proje üzerinde ortaklaşa çalışacaklarını açıkladı. Çalışmanın sonunda elde edilecek verilerle, beyin yapısının ve organizasyonunun hastalıkta ve sağlıkta davranış, duygu ve bilişe nasıl yol açtığını kavramanın mümkün olabileceği bildirildi.
Beynin, tıpkı Google Earth gibi haritası çıkarılacak
Bilim tarihi boyunca en çarpıcı ilerlemelerin arkasında yeni araçlar olduğunu ifade eden Columbia Zuckerman Enstitüsü’nde Herbert ve Florence Irving Profesörü ve projenin lideri olan PhD, Elizabeth Hillman, projeye dair yaptığı açıklamada “Önümüzdeki beş yıl içinde onlarca, hatta yüzlerce insan beyninin yüksek hızlı, büyük ölçekli görüntülenmesini mümkün kılacak teknolojiler geliştiriyoruz. Üretmeyi umduğumuz eşi görülmemiş veri hazineleri, insan beyni hakkında daha önce erişilemeyen bilgilere giden yolu açmalıdır.” şeklinde kaydediyor.
Dr. Hillman ve işbirlikçilerinin bu iddialı projeyi üstlenmelerini sağlamak adına, Ulusal Sağlık Enstitüleri BEYİN Girişimi’nin (BRAIN Initiative) kısa süre önce 9,1 milyon dolarlık bir hibe verdiği bildiriliyor. Bu finansmanın ise Columbia Üniversitesi, Mount Sinai’deki Icahn Tıp Okulu ve Carnegie Mellon Üniversitesi arasında paylaşılacağı aktarılıyor.
“Başarılı olursa, mikroskobumuz birkaç gün içinde tüm insan beynini hücresel ayrıntılarla görüntüleyebilmelidir” ifadelerini kullanan Dr. Hillman, “Bu veriler, beyin için Google Earth gibi olacak ve çok farklı uzunluk ölçeklerinde farklı insan beyin hücrelerinin kalıplarının ve dağılımlarının analizini mümkün kılacaktır. “ şeklinde kaydediyor. Bununla birlikte Hillman, projeleri ile Google Earth arasında benzerlikler olduğu kadar farklılıklar olduğuna, dünya üzerinde sekiz milyar insana karşılık beyindeki hücre sayısının 180 milyardan fazla olduğunu belirterek dikkat çekiyor.
Ekip başarılı olursa, tüm beynin haritasını çıkarmak için sadece birkaç gün yeterli olacak
Bununla birlikte ekip, sadece beyindeki hücreleri saymakla da ilgilenmiyor. Buna göre ekibin en büyük önceliğinin, beyni oluşturan birçok farklı hücre türünün çeşitliliğini gösteren bir beyin haritası geliştirmek olduğu ifade ediliyor. Bu konuya dair “Beynin milyarlarca nöron içerdiğini biliyoruz, ancak birçok farklı nöron alt türü var,” şeklinde kaydeden Hillman, “Kaç tane oldukları, nasıl organize oldukları ve farklı beyin bölgeleri ile farklı insanlar arasında nasıl değişiklik gösterdikleri büyük ölçüde bilinmiyor.” diye de sözlerin ekliyor.
Öte yandan beyin, yalnızca nöronlardan oluşmuyor. Beyin ağı, aralarında bir dizi glial hücre ve beynin damar sistemini oluşturan hücreler de dahil olmak üzere diğer hücre türlerini de kapsıyor. Her biri normal beyin fonksiyonları için gerekli olan bu hücre tiplerinin, hastalıkta neyin yanlış gittiğine dair önemli ipuçları da içerebileceği tahmin ediliyor.
Bu konuya ilişkin olarak Hillman, “Bu veri kümelerini gerçekten kullanışlı hale getirmek için, tüm beyni tararken mümkün olduğunca çok bilgiyi yakalamanın bir yolunu bulmalıyız.” ifadelerini kullanıyor. Hillman ayrıca, başarılı olmaları halinde mikroskoplarının sadece birkaç gün içerisinde tüm insan beynini hücresel ayrıntılarıyla görüntüleyebileceğine de dikkat çekiyor.
Bu beyin atlası çıkarma projesi için Hillman, yeni bir mikroskop tekniğigeliştiriyor. Buna İnsan Beyni Optimize Edilmiş Işık Levhası (HOLiS) mikroskobu adını veren ekip, insan beyninin bütünsel olarak görüntülenmesi ve analiz edilmesinin önemini vurgulamak adına bu ismi seçtiklerini kaydediyor.
Peki, beynin haritasını çıkarma sürecini nasıl işliyor?
Görüntüleme sürecindeki ilk adım, beyni dikkatlice 5 milimetre kalınlığında bölümlere ayırmak ve bunları tamamen şeffaf hale getirmek için işlemeyi içeriyor. Projede yardımcı Baş Araştırmacı olan, Mount Sinai’nin Sinir Sistemleri, Yapıları ve Genetik Laboratuvarı’nda yardımcı doçent olan Zhuhao Wu’nun uzmanlık alanı olan bu başarıyı elde etmek amacıyla Dr. Wu’nun; insan beyninin temizlenmesi için bir yöntemi optimize ettiği ifade ediliyor. Söz konusu bu yöntem, her bir beyin bölümünü, farklı olan renklerine dayalı olarak tek tek hücreleri ve onların çeşitli özelliklerini tanımlamayı mümkün kılan bir dizi floresan etiketle işaretleyebilen bir adımı kapsıyor.
Daha sonrasında ise devreye, yukarıda bahsetmiş olduğumuz HOLİS mikroskobu giriyor. Beynin her bölümünün devasa, teknik renkli 3D görüntülerini oluşturmak için yıldırım hızında çalışan HOLiS; teknik, çok ince bir eğimli düzlemi aydınlatan bir ışık tabakası oluşturmak için dokuya lazer ışığı yansıtarak çalışıyor. Bu sırada mikroskoptaki hızlı bir kamera aynı düzlemin bir görüntüsünü yakalıyor ve beyin bölümünü sabit hızda hareket ettirerek, uzun bir 3D blok oluşturmak için her bir düzlemin ardışık görüntüleri bir araya getiriliyor. Daha sonrasında ise doku bir sonraki aşamaya geçmeden önce tekrar taranıyor.
İnsan beyni, daha önce hiç olmadığı kadar geniş bir çapta analiz edilecek
Bütün bir insan beynini mevcut geleneksel araçlarla görüntülemeye çalışmanın uzun yıllar alacağının altını çizen Hillman,”HOLiS sistemimizin yaklaşık bir hafta içinde bütün bir beyni görüntüleyebileceğini umuyoruz.” şeklinde kaydediyor. Bu tür bir hız sayesinde, tüm beyin görüntüleme olayının tek seferlik bir kavram kanıtından da ileride, yüzlerce beyni görüntüleyebilen bir teknolojiye evrileceğini belirten Hillman, “Her beynin çok farklı olacağından şüpheleniyoruz, bu yüzden yaşam boyu beyin çeşitliliğini anlamak ve nihayetinde çok çeşitli hastalıkları ve bozuklukları keşfedebilmek için birçok beyni görüntüleyebilmemiz gerekiyor.” diyerek aktarıyor.
Ancak bu noktada ekibin karşısında bir engel bulunuyor. Ekip, her bir beyin atlaslama çalışmasının, çok büyük bir miktar olan iki petabaytlık veri üretmesini bekliyor. Bu soruna bir çözüm sunmak amacıyla Carnegie Mellon’daki Pittsburgh Süper Bilgi İşlem Merkezi’ndeki işbirlikçilerin ise ekibin bu veri sellerini daha yönetilebilir, aranabilir ve analiz edilebilecek ve karşılaştırılabilecek kullanıcı dostu veri tabanlarına dönüştürmesine yardımcı olacağı ifade ediliyor.
Son olarak sürecin bir düzene oturtulması halinde insan beyninin daha önce hiç olmadığı kadar geniş bir çapta analiz edilmesini sağlayan temel bir veri tabanı oluşturulabileceğini belirten Hillman, “Bu verilere sahip olmak, insan beyninde sıklıkla neyin doğru gittiğini ve gelişimsel, nörolojik ve psikiyatrik bozukluklarda neyin yanlış gittiğini anlama çabalarımızı hızlandırmalıdır. “ diyerek çalışmalarının önemine dikkat çekiyor.
