Sinir Ağlarının Haritalanması

Giriş

İnsanlar, tarih boyunca bizi biz yapanın ne olduğuna dair derin bir merak duymuştur. Bugün bilimin geldiği noktada kişiliğimizin, hareketlerimizin, duygularımızın, düşüncelerimizin yani genel anlamıyla ‘biz’im bilişsel varlığımızın bütün yönlerinin beyin tarafından oluşturulduğu kabul edilmektedir. Günümüzde, psikoloji ve felsefe gibi çalışmalarının merkezinde insan olan alanların üzerinde sinirbilimdeki gelişmelerin etkileri görülmektedir. Son bir kaç on yılda sinirbilimin pek çok farklı alanında gelişme kaydedilmiştir. Bu gelişmelerin içerisinde belki de bilim dünyasında ve popüler bilimle ilgilenen kişiler arasında en çok heyecan yaratanı sinir ağlarının haritalanmasına yönelik gerçekleştirilen çalışmalardır.

Sinir ağlarının haritalanması; farklı tekniklerle, farklı çözünürlüklerde, farklı hayvanlardaki veya insanlardaki farklı beyin bölgeleri için gerçekleştirilebilmektedir. Sinir ağlarının kapsamlı haritası İngilizceden dilimize doğrudan ‘Konnektom’ olarak geçmiştir. Konnektom kelimesi, bağlantısallığa işaret eden konnekt (İngilizce connect: bağlamak/bağlanmak) kelimesine -om son eki getirilerek oluşturulmuştur. Genetik biliminde bir hücrede yer alan genlerin tamamına işaret etmek için gen kelimesinin sonuna kapsayıcılık anlamı taşıyan -om son ekinin getirilmesiyle bugün omikler olarak bilinen bilim dallarının ilki ortaya çıkmıştır. Günümüzdeki bazı -omikler; genomik, proteomik (proteinlerle ilgilenen araştırma alanı) ve konnektomiktir. ‘-Om’ son ekinin kapsayıcılık anlamından dolayı ‘insan konnektomu’ tabiri, insanın beynindeki bütün iletişimsel ağlara işaret etmektedir.

İnsan Konnektom Projesi

Sinir ağlarının haritalanmasına yönelik olarak gerçekleştirilen ‘İnsan Konnektom Projesi’, beynin farklı ölçeklerdeki görüntülerinden yola çıkarak beyindeki bağlantıların tanımlanması amacıyla yürütülmüş bir çalışmadır. İnsan Konnektom Projesi 2011 yılında başlayıp 2016 yılında sona ermişse de, bu çalışmadan köken alan farklı konnektom çalışmaları doğmuştur ve bunlardan bazıları hala etkin bir şekilde devam etmektedir. İnsan Konnektom Projesi’nin temel amacı, beyin görüntülemelerinin belirli özelliklerine göre analiz edilerek çeşitli hipotezlerin test edilmesini sağlayacak bir veri seti oluşturmaktır. Örneğin, İnsan Konnektom Projesi’nin veri setine ulaşımı olan bir araştırmacı, beş yıl ve üzerinde sigara içen genç erişkinlerin beyin etkinlikleri ile hiç sigara kullanmamış genç erişkinlerin aynı koşullar altında kaydedilmiş beyin etkinliklerine erişebilir ve bu verileri analiz ederek sigaranın beynin etkinliğinde meydana getirdiği değişimlere dair bir sonuca varabilir.

İnsan Konnektom Projesi her ne kadar sona ermiş olsa da insan beynindeki bütün nöronların ve nöron dışı sinir hücrelerinin bağlantıları çözülmüş değildir. Yeni araştırma alanları arasında; hastalıklarla ilişkili konnektomlar, gelişimsel konnektom, ergenlerde beyin ve bilişsel gelişim konnektomu çalışmaları yer almaktadır. Alzheimer, endişe bozukluğu ve depresyon durumlarındaki konnektom, hastalıklarla ilişkili konnektom projelerinin günümüzdeki başlıca çalışma alanlarıdır. Ergenlerde beyin gelişimi ve bilişsel gelişim konnektomu, dokuz ila on yaşındaki kişilerin bu dönemden başlayıp ömürleri boyunca beyin görüntülemelerini alarak ve farklı yöntemlerle bilişsel ölçümlerini yaparak, gelişimsel süreç içerisinde sonuçlar arasındaki değişimde ortak noktalar bulmayı hedeflemektedir.

Günümüzdeki sinirbilim çalışmaları genellikle nöronlar üzerine yapılmaktadır. Ancak nöronlar sinir hücrelerimizin yaklaşık %10’unu oluşturmaktadır. Geriye kalan hücreler için ‘glia‘ adlandırması kullanılır, ancak glialar birbirinden farklı pek çok gruba ayrılarak incelenebilmekte olan; farklı işlev, yapı ve şekillere sahip hücrelerdir. Nöronlar ile gliaların temel farkı, nöronlarda sinirsel iletim gerçekleşirken (elektriksel potansiyel fark oluşurken) glialarda böyle bir işlevin bulunmamasıdır. Sinirsel iletim, sinirbilim çalışmalarının başlangıcından günümüze kadar araştırmaların odağında olmuştur, bu sebeple glia hücreleri üzerine yapılan çalışmalar görece az sayıdadır. İnsan Konnektom Projesi’nin de ana odağı beyinde yer alan nöronlardır. Bu durum, İnsan Konnektom Projesi’ni bütün bir beyni haritalandırma hedefinden uzaklaştırırken, nöron yapılanması bile yeterince karmaşık olan beynin ufak parçalara ayrılarak daha kolay incelenmesini sağlamaktadır.

Konnektom haritalandırılması tam olarak yapılan ilk hayvan Caenorhabditis elegans bilimsel adlandırılmasıyla tanınan iplik kurdu/ ipliksi solucandır. Ardından Drosophila melanogaster bilimsel adlandırmasıyla tanınan sirke sineğinin larvasının ve erişkin formunun konnektom haritası oluşturuldu. İnsan dahil olmak üzere pek çok canlının konnektom haritaları farklı düzeylerde ortaya çıkarılmışsa da özellikle insan gibi karmaşık bir beyne sahip canlılarda bütüncül bir konnektom haritasının oluşturulması günümüzde gerçekleştirilememektedir. Bu alanda çalışan araştırmacılar, sinir ağlarının haritalandırılmasında karşılaştırılan birkaç temel zorluk tanımlamıştır. İnsan Konnektom Projesi üzerine çalışan ve Discovering the Human Connectome (2012, MIT Press) isimli kitabın yazarı olan Olaf Sporns, kitabında üç temel zorluktan bahsetmektedir:

Birinci zorluk beynin farklı ölçeklerde incelenebilmesidir. Büyük, orta ve küçük olarak üç gruba ayrılan bu farklı ölçeklerde boyutlar küçüldükçe araştırma yapılması zorlaşmaktadır. Ayrıca küçük ölçekteki çalışmalar ince tabakalar halinde kesilen beyin dokularının elektron mikroskobisindeki görüntülerinin incelenmesi üzerine kuruludur ve canlı beyin dokusunda bu incelemenin yapılması mümkün değildir. Günümüzde, yaşayan insanda sinir ağları haritalanması yalnızca büyük ölçekli çalışmalar yoluyla gerçekleştirilebilmektedir. Orta ve küçük ölçekteki sinir ağları çalışmaları ise deney hayvanları üzerinde ve postmortem (ölüm sonrası) beyin çalışmalarında gerçekleştirilebilir.
İkinci zorluk, sinir ağları arasındaki iletişim örüntüleri bireysel düzeyde farklılıklar gösterdiği için iki kişinin beyin görüntülemeleri arasında yapılacak karşılaştırmalarda hangi ölçütlerin belirlenmesi gerektiğinin net olarak bilinmemesidir.
Üçüncü zorluk ise beynin nöroplastisite olarak adlandırılan değişip uyum sağlayabilme özelliğidir. Beyin bağlantıları esnektir ve belli sınırlar çerçevesinde zaman içerisinde değişebilmektedir. İnsanların beyin görüntülemelerindeki farkları belirlediğimizde, bunun kişiler arası bir farktan mı yoksa kişilerin beyinlerindeki dinamik süreçlerin farklı evrelerde olmasından mı ileri geldiğini ayırt edemeyebiliriz.

İnsan Konnektom Projesi, geliştirilmesi esnasında çeşitli zorluklarla karşılaşılsa da sinir ağları üzerine çalışan araştırmacılar için önemli kaynaklar oluşturan veri setlerinin erişime açılmasını sağlamıştır. Gelecekte bu alanda çalışan araştırmacıların geliştirdiği farklı yöntemlerle konnektom çalışmalarını engelleyen zorluklara çeşitli çözümler üretileceği düşünülmektedir. İnsan Konnektom Projesi, ana proje sona ermiş olsa da, doğurduğu yan çalışma alanlarıyla uzun süre sinirbilim çalışmalarının odağında olacağa benzemektedir.

Kaynaklar: