İlk Kez Bir Böcek Beyninin Haritası Çıkarıldı

Johns Hopkins Üniversitesi ve Cambridge Üniversitesi liderliğindeki uluslararası ekip, insanlarla karşılaştırılabilir beyinlere sahip arketipik bir bilimsel model olan larva meyve sineğinin beynindeki her sinir bağlantısını izleyen nefes kesici derecede ayrıntılı bir diyagram üretti.

Gelecekteki beyin araştırmalarının temelini oluşturması ve yeni makine öğrenimi mimarilerine ilham vermesi muhtemel olan çalışma, bugün Science dergisinde yayınlandı.

Konnektomik (beyindeki sinirsel bağlantıların haritası) ve sinir sistemi bağlantılarının incelenmesi de dahil olmak üzere veri odaklı projelerde uzmanlaşmış Johns Hopkins biyomedikal mühendisi kıdemli yazarı Joshua T. Vogelstein, “Kim olduğumuzu ve nasıl düşündüğümüzü anlamak istiyorsak, bunun bir kısmı düşünce mekanizmasını anlamaktır ve bunun anahtarı nöronların birbirleriyle nasıl bağlantı kurduğunu bilmektir” dedi.

Beyni haritalandırmaya yönelik ilk girişim, 1970'lerde başlayan 14 yıllık bir yuvarlak kurt çalışması, kısmi bir harita ve bir Nobel Ödülü ile sonuçlandı. O zamandan beri sinekler, fareler ve hatta insanlar da dahil olmak üzere birçok sistemde kısmi konektomlar haritalandı, ancak bu rekonstrüksiyonlar tipik olarak toplam beynin yalnızca küçük bir bölümünü temsil etmektedir. Kapsamlı konektomlar yalnızca vücutlarında birkaç yüz ila birkaç bin nöron bulunan bir yuvarlak kurt, bir larval deniz üzümü ve bir deniz halkalı solucanı olan birkaç küçük tür için üretilmiştir.

Bu ekibin bir bebek meyve sineği olan sirke sineği olarak da adlandırılan Drosophila Melanogaster larvasının konnektomu, bir böcek beyninin tamamının şimdiye kadar tamamlanmış en eksiksiz ve en geniş haritasıdır. 3.016 nöron ve aralarındaki 548.000 bağlantıyı içerir.

Tüm beyinleri haritalandırmak, en modern teknolojiyle bile zor ve son derece zaman alıcıdır. Bir beynin hücresel düzeyde tam bir resmini elde etmek, beyni yüzlerce veya binlerce ayrı doku örneğine ayırmayı gerektirir ve bunların tümü, tüm bu parçaları, nöron nöron, tam, doğru bir portreye dönüştürmek için özenli bir süreçten önce elektron mikroskoplarıyla görüntülenmesi gerekir. Yavru meyve sineği ile bunu yapmak on yıldan fazla sürdü. Bir farenin beyninin yavru bir meyve sineğininkinden bir milyon kat daha büyük olduğu tahmin ediliyor, bu da insan beynine yakın herhangi bir şeyi haritalama şansının yakın gelecekte, hatta belki de yaşamımız boyunca bile mümkün olmayacağı anlamına geliyor.

Ekip, meyve sineği larvasını bilerek seçti çünkü bir böcek için tür, temel biyolojisinin büyük bir kısmını karşılaştırılabilir bir genetik temel de dahil olmak üzere insanlarla paylaşmaktadır. Aynı zamanda zengin öğrenme ve karar verme davranışlarına sahiptir, bu da onu nörobilimde yararlı bir model organizma haline getirir ve pratik amaçlar için nispeten kompakt beyni görüntülenebilir ve devreleri makul bir zaman çerçevesi içinde yeniden yapılandırılabilir.

Buna rağmen çalışma Cambridge Üniversitesi ve Johns Hopkins'in 12 yılını aldı. Tek başına görüntüleme nöron başına yaklaşık bir gün sürdü.

Cambridge araştırmacıları beynin yüksek çözünürlüklü görüntülerini oluşturdular ve her birini titizlikle takip ederek ve sinaptik bağlantılarını birbirine bağlayarak bireysel nöronları bulmak için bunları manuel olarak incelediler.

Cambridge verileri, ekibin beynin bağlantısını analiz etmek için oluşturdukları orijinal kodu kullanarak üç yıldan fazla zaman harcadığı Johns Hopkins'e teslim etti. Johns Hopkins ekibi, paylaşılan bağlantı kalıplarına dayalı olarak nöron gruplarını bulmak için teknikler geliştirdi ve ardından bilginin beyinde nasıl yayılabileceğini analiz etti.

Sonunda tüm ekip her nöronun ve her bağlantının grafiğini çıkardı ve her nöronu beyinde oynadığı role göre kategorize etti. Beynin en meşgul devrelerinin öğrenme merkezinin nöronlarına giden ve onlardan uzaklaşan devreler olduğunu buldular.

Vogelstein, Johns Hopkins'in geliştirdiği yöntemlerin herhangi bir beyin bağlantı projesine uygulanabilir olduğunu ve kodlarının daha da büyük bir hayvan beyninin haritasını çıkarmaya çalışan herkesin kullanımına açık olduğunu belirterek, zorluklara rağmen bilim insanlarının muhtemelen önümüzdeki on yıl içinde fareyi ele geçirmelerinin beklendiğini de sözlerine ekledi. Diğer ekipler şimdiden yetişkin meyve sineği beyninin haritası üzerinde çalışıyor. Johns Hopkins'in Biyomedikal Mühendisliğinde doktora adayı olan yardımcı yazar Benjamin Pedigo, ekibin kodunun yetişkin ve larva beynindeki bağlantılar arasındaki önemli karşılaştırmaları ortaya çıkarmaya yardımcı olabileceğini umuyor. Konektomlar daha fazla larva ve diğer ilgili türler için üretildiğinden, Pedigo analiz tekniklerinin beyin şemasının varyasyonlarını daha iyi anlaşılmasına yol açabileceğini umuyor.

Meyve sineği larva çalışması öne çıkan ve güçlü makine öğrenimi mimarilerini çarpıcı biçimde anımsatan devre özellikleri gösterdi. Ekip devam eden çalışmanın daha fazla hesaplama ilkesini ortaya çıkarmasını ve potansiyel olarak yeni yapay zeka sistemlerine ilham vermesini bekliyor.

Vogelstein, “Meyve sinekleri için kod hakkında öğrendiklerimizin, insanlar için kod üzerinde de etkileri olacaktır. Anlamak istediğimiz şey insan beyni ağına götüren bir programın nasıl yazılacağıdır.” dedi.

Kaynak: ScienceDaily

Editör: Selin Yüzüncüoğlu