Meyve sineğinin beyni tamamen haritalandı! Bilim insanlarının ilk deneyi şaşırttı

Bilim dünyası, beynin nasıl çalıştığını anlama yolunda önemli bir eşiği daha geride bıraktı. Google Research, HHMI Janelia Research Campus, Cambridge Üniversitesi ve MRC Laboratory of Molecular Biology'den araştırmacıların ortak çalışmasıyla yetişkin erkek meyve sineğinin beynini ve merkezi sinir sistemini kapsayan tam bir konektom oluşturuldu.

Et yiyen parazit 60 yıl sonra geri döndü: 6 kişi hayatını kaybetti

Ortaya çıkan harita, 166 bin 691 nöronu ve bunlar arasındaki yaklaşık 125 milyon sinaptik bağlantıyı içeriyor. Araştırmacılara göre bu çalışma, nöron sayısı bakımından bugüne kadar oluşturulmuş en büyük beyin haritası olma özelliğini taşıyor.

GÖZLERDEN BACAKLARA TÜM SİNİRSEL YOL

Çalışmanın en önemli taraflarından biri ise yalnızca beynin haritalanmamış olması. Araştırmacılar, beynin vücudun geri kalanıyla iletişimini sağlayan ve omuriliğe benzer işlev gören ventral sinir kordonunu da haritaya dahil etti. Böylece bilim insanları, bir duyusal uyarının sinir sistemi içerisinde nasıl ilerlediğini ve sonunda hareket gibi bir davranışa nasıl dönüştüğünü baştan sona takip edebilecek bir modele kavuştu. Janelia araştırmacılarının ifadesiyle sistem, adeta "gözlerden bacaklara" uzanan sinirsel yolu tek seferde inceleme imkânı sağlıyor.

MİLYONLARCA GÖRÜNTÜ YAPAY ZEKAYLA BİRLEŞTİRİLDİ

Bu devasa haritanın ortaya çıkarılması yıllar süren görüntüleme, bilgisayar hesaplaması ve insan kontrolünü gerektirdi. Sineğin merkezi sinir sistemi milyonlarca son derece ince parçaya ayrıldı ve her bölüm elektron mikroskoplarıyla görüntülendi. Daha sonra yapay zekâ sistemleri bu iki boyutlu görüntüleri bir araya getirerek nöronların üç boyutlu yapılarını ve birbirleriyle bağlantılarını yeniden oluşturdu.

Google Research ekibi bu süreçte flood-filling network adı verilen, evrişimsel sinir ağlarından yararlanan yöntemlerden de faydalandı. Sistem, belirli bir pikselden başlayarak aynı nörona ait diğer pikselleri belirleyip sinir hücrelerinin karmaşık uzantılarını takip edebiliyor. Ancak nihai harita yalnızca yapay zekâya bırakılmadı; oluşturulan bağlantılar insan uzmanlar tarafından kontrol edilerek doğrulandı.

YENİ REKOR KIRILDI

Haritanın büyüklüğünü anlamak için önceki çalışmalara bakmak yeterli. Google ekibi 2019'da dişi meyve sineğinin beyninin ilk tamamen otomatik rekonstrüksiyonlarından birini yayımlamıştı. 2020'de ise insan uzmanlar tarafından doğrulanan yaklaşık 25 bin nöron ve 21 milyon bağlantılık yarım dişi sinek beyni haritası hazırlanmıştı. O dönem bu çalışma kendi alanında bir rekor niteliğindeydi.

ERKEK VE DİŞİ SİNEKLERİN BEYNİ KARŞILAŞTIRILDI

Yeni konektom, yalnızca nöronların nerede bulunduğunu göstermekle kalmıyor. Erkek ve dişi sineklerin sinir sistemleri arasındaki farkların ayrıntılı biçimde incelenmesine de olanak sağlıyor.

Araştırmacılar, iki cinsiyete ait haritaları sinaps düzeyinde karşılaştırdığında 7 bin 319 hücre tipinin eşleştirilebildiğini belirledi. Bunların 114'ü cinsiyete göre farklılaşan, 262'si yalnızca erkeklerde, 69'u ise yalnızca dişilerde bulunan hücre tipleri olarak sınıflandırıldı. Cinsiyete özgü ve farklılaşmış nöronların özellikle beynin daha üst düzey işlem merkezlerinde yoğunlaştığı görüldü.

SİNEKLERİN DAVRANIŞLARI İNCELENİYOR

Bu bulgu, sineklerin yalnızca basit bir model canlı olmadığını gösteren önemli ipuçlarından biri olarak değerlendiriliyor. Özellikle eş seçimi, kur davranışı, saldırganlık ve diğer sosyal davranışların arkasındaki sinirsel mekanizmaların incelenmesinde erkek ve dişi beyinlerinin yan yana karşılaştırılması araştırmacılara yeni bir alan açıyor.

Dahası, erkek ve dişi sineklerde büyük ölçüde ortak kalan sinir devreleri de önem taşıyor. Araştırmacılar bu bölgeleri farklı bireylerin beyinlerindeki bağlantıların ne kadar değiştiğini anlamak ve davranışların hangi ölçüde aynı temel sinirsel mimariden kaynaklandığını araştırmak için kullanabilecek.

HARİTA ARTIK HERKESİN KULLANIMINA AÇIK

Araştırmacılar konektomu kapalı bir veri seti olarak tutmak yerine bilim dünyasının kullanımına açtı. MaleCNS v1.0 adı verilen veri seti üzerinden nöronlar, sinapslar ve bağlantılar incelenebiliyor. Kullanıcılar haritayı Neuroglancer üzerinden üç boyutlu olarak görüntüleyebildiği gibi veri setini indirip kendi araştırmalarında da kullanabiliyor.

Bu özellik, çalışmayı yalnızca bir bilimsel keşif olmaktan çıkarıp üzerinde yeni deneylerin yapılabileceği dev bir dijital laboratuvara dönüştürüyor.

Nitekim ilk örneklerden biri bilim dünyasının dışından geldi.

166 BİN NÖRON DOOM'A BAĞLANDI

Konektomun yayımlanmasının ardından yazılım geliştiricileri, MaleCNS v1.0'ı kullanarak dijital sinek beynini bilgisayar oyunlarına bağlamaya başladı.

Bunlardan en dikkat çekeni DOOMFLY adı verilen deneysel proje oldu. Sistemde Doom'un oyun görüntüleri, sineğin görsel sistemindeki belirli nöronları uyaran girdilere dönüştürülüyor. Daha sonra modeldeki nöral aktivite oyun içerisindeki hareket ve ateş etme gibi komutlara çevriliyor.

DOPAMİN MODELLERİ DE DAHİL EDİLECEK

Geliştiriciler bununla da kalmayarak dopaminle ilişkili pekiştirme mekanizmalarını modele dahil etmeye çalışıyor. Ancak burada önemli bir ayrıntı bulunuyor: Bu çalışma, gerçek bir sineğin Doom oynaması değil; dijital olarak yeniden oluşturulmuş sinek konektomunun bir oyun ortamında simüle edilmesi. Dahası, projenin mevcut sonuçları henüz modelin oyunda gerçekten öğrenerek hayatta kaldığını kanıtlamış değil.

Farklı geliştiriciler de aynı konektomla Beat Saber ve Super Mario 64 gibi oyunlar üzerinde deneyler gerçekleştirdi. Bu girişimler, bilimsel araştırmadan çok deneysel ve açık kaynaklı projeler niteliğinde olsa da gelecekte biyolojik sinir ağlarının bilgisayar modelleriyle nasıl birleştirilebileceğine dair dikkat çekici örnekler sunuyor.

SIRADA BALIKLAR VAR

Meyve sineğinin tamamının haritalanması, insan beyninin benzer şekilde çözülebileceği anlamına gelmiyor. Tam tersine, araştırmacılar insan beyninin ölçeğinin hâlâ devasa bir engel olduğunu vurguladı.

Google Research'e göre yetişkin bir insan beyninde yaklaşık 86 milyar nöron bulunuyor. Meyve sineğindeki 166 bin nöronla karşılaştırıldığında aradaki fark olağanüstü boyutta. Google araştırmacıları, fare beyninin bile meyve sineğinden yaklaşık bin kat daha büyük olduğunu, insan beyninin ise bunun da çok ötesinde bulunduğunu belirtti.

Bu nedenle yakın vadede insan beyninin bütün bağlantılarını aynı yöntemle çıkarmak mümkün görünmüyor. Ancak araştırmacılar daha büyük ve omurgalı canlılara doğru ilerliyor. Balıklar ve fareler, bu alandaki çalışmaların önemli hedefleri arasında bulunuyor.

YOLUN BAŞLANGICI

Meyve sineğinin yeni dijital haritası ise şimdiden araştırmacılara çok daha temel bir soruyu ayrıntılı biçimde inceleme fırsatı verdi: Bir canlı çevresinden gelen bilgiyi nasıl algılıyor, beyninde nasıl işliyor ve bu bilgiyi nasıl davranışa dönüştürüyor?

166 bin nöronluk bu küçük beynin bağlantılarının çözülmesi, insan beynini anlamaya giden yolun henüz başlangıcı olabilir. Ancak bilim insanları için asıl büyük değer, artık yalnızca tek tek nöronlara değil, bir sinir sisteminin tamamının oluşturduğu devreye bakabilmek.