Haritada bir meyve sineğinin beynindeki yaklaşık 140.000 nöron arasındaki 50 milyon kadar bağlantının tamamı yer alıyor.
Beyinler, nöronlar arasındaki şaşırtıcı derecede karmaşık bağlantı sistemleridir. Bu bağlantıları haritalandırmak ise beyinlerin nasıl çalıştığını anlamada önemli bir adım. Bilim insanları böyle bir haritanın oluşturulmasında şimdiye kadarki en tutkulu girişimi geçenlerde tamamladı: Yetişkin bir meyve sineğinin beynindeki her nöron ve her bağlantıyı eksiksiz şekilde belgelediler.
Böyle bir haritanın yürüyebilen ve görebilen bir hayvanda ilk defa oluşturulmasını temsil eden araştırma, yetişkin bir hayvanın ilk eksiksiz beyin haritası olma özelliğini taşıyor. Drosophila melanogaster‘in beynindeki 139.255 nöronun her birini ve bunlar arasındaki 50 milyon bağlantıyı temsil eden eser, şimdiye kadar yapılanlar arasında açık ara en büyük ve en detaylı olanı. Benzer bir harita aynı türün larvası için oluşturulsa da o beyin çok daha küçüktü ve sadece 3.000 civarı nöron barındırıyordu. Bir yetişkinin beyninin çok daha fazla bilgi ve davranışı idare etmesi gerekiyor.
Dün Nature bülteninde yayımlanan iki makalede tarif edilen harita, dünya çapındaki 76 enstitüde çalışan 287 bilim insanının oluşturduğu bir araştırma takımı arasında yürütülen işbirliğinin bir sonucu. Haritada 100 TB’ı aşkın veri kullanılmış.
Makalenin yazarlarından Phillip Schlegel, Sven Dorkenwald, Sebastian Seung, Gregory Jeffris, Davi Bock ve Mala Murthy, dönüm noktası niteliğindeki bu gelişmeyle ilgili Popular Science‘a konuştu.
Belli ki boyut yönünden muazzam bir farklılık var ve sineğin beyni, bizde bulunmayan mantar gövdesi gibi yapıları da barındırıyor; peki nöronların bağlanma ve “kablo düzeneğinin” oluşma noktasında, bir meyve sineğinin beyni bizimkine ne kadar benziyor?
Phillip Schlegel: Nörondan nörona bağlantılar seviyesinde, beyinlerimiz ve böceklerinkiler son derece birbirine benziyor. Bu yüzden Drosophila, beyinlerin nasıl çalıştığını inceleme bakımından müthiş bir model sistemi. Yani elbette bazı farklılıklar var ve benzerlikten ziyade farklılık örnekleri benim daha çok ilgimi çekiyor.
Sebastian Seung: O mantar gövdesi harika bir örnek. Bu kokusal yapının bizim beyinlerimizde olmadığı doğru. Fakat armut biçimli korteksin, bağlantısallığı bakımından bu böceklerdeki mantar yapısına benzer olduğu düşünülüyor. (Bu benzerlik, kokusal sistemin geri kalanına kadar genişletilebilir.) Sinek ve insan genomları benzer olduklarından, sinek ve insan beyinlerinin moleküler seviyede benzerlikler taşıması gerektiğini uzun süredir biliyorduk. Devre seviyesinde de benzerlikler olduğunu daha geç fark ettik. Bunlar bağlantısallık kalıplarının incelenmesiyle ortaya çıktı.
[Bir soru da şu ki] Sinek ve insanların evrimsel atasının bu denli antik olduğu düşünüldüğünde, neden devre benzerlikleri var? Belki de bu benzerlikler yakınsak evrimle oluşmuştur. Moleküler seviyede böcek ve insan koku sistemleri çok farklı görünüyor; koku reseptörlerinin genleri farklı. Fakat devreler, aynı hesaplama problemini çözmeleri gerektiği için nihayetinde benzer hale gelmiş olabilir.
Video: Meyve sineği beynindeki 140 bin kadar nöronun tamamının 3B tasviri. Canlandırma: Phillip Schlegel/Cambridge Üniversitesi/MRC LMB. Veri Kaynağı: FlyWire.ai
Davi Bock: Hem meyve sineklerinin beyninde hem de bizim beynimizde, geniş nöron ağları bir şekilde birleşerek bilgiyi işliyor, davranışları yönlendiriyor ve anıları saklayıp çağırıyor. Her iki beyinde de nöronlar aksiyon potansiyellerini ateşliyor, ortak nörotransmiterleri kullanıyor vs. Her iki beyin de devasa tekrarlı bağlantısallık sergiliyor; ve her iki beyin de daha detaylı şekilde anlamayı çok istediğimiz ilginç ağ yapısı işaretleri sergiliyor.
Dolayısıyla farklılıklar olsa dahi geniş nöron ağlarının bilgiyi işleme, depolama ve çağırma bakımından nasıl organize edileceği sorusu, türler boyunca neredeyse kaçınılmaz biçimde ortak temeller taşıyacak. Bu meselenin çözülmesi zor bir problem. Yetişkin sinek ise bilgi işleme ve davranış kabiliyetleri bağlamında “insandan çok daha basit” ile “hâlâ çok ilginç” arasında duran mutlu bir ortam gibi görünüyor.
“Tipik” nöron diye bir şey olduğunu düşünürsek, bir sineğin beynindeki tipik bir nöron ile bir insanın beynindeki tipik nöron arasında nasıl bir fark vardır? Bunlar aynı boyutta mıdır? Benzer sayıda mı dendrit ve sinaptik terminal içerirler? Benzer sayıda mı bağlantı oluştururlar?
PS: Sineğin görece ufak beyninde bulduğumuz (8.000’i aşkın) hücre tipi miktarından da anlaşılacağı üzere “tipik” bir nöronu tanımlamak kolay değil. Örneğin sineğin görsel sisteminde, nöronlar ortalama 0,6 mm “uzunluğunda (ör. nöronun tüm dallarının birleşik uzunluğu) ve 270 kadar girdi ile 500 kadar çıktı içeriyor. Greg bundan altta bahsediyor ama memeli nöronlarının sinek nöronlarından 10 kat kadar büyük olmasının muhtemelen pek gerçek dışı olmadığını söylüyor.
Memeli beyinlerinde bireysel sinapslar genelde birebirdir; yani tam iki nöron arasında bir bağlantı oluştururlar. Bunun aksine böcek sinapsları genelde bir nörondan çok sayıda nörona bağlantı oluşturur (çok öğeli). Bunun sebebi spekülasyona açık olsa da sebebi, böcek beyinlerinin çok küçük bir beyne mümkün olduğu kadar fazla bağlantı (ve bu sebeple hesaplama gücü) sığdırmaya çalışması olabilir.
SS: bir insan nöronu genelde çok daha büyüktür. Bir insan nöronu, beynin bir tarafından diğer tarafına veya beyinden omuriliğe kadar uzanabilir. Bir zürafa veya balina nöronu çok daha büyük olabilir.
Bir sineğin nörokimyası bir insanın nörokimyasına göre nasıl? Bir sineğin beynindeki bütün nörotransmiterleri bir insan beyninde görebiliyor muyuz yoksa sadece bazılarını mı görüyoruz? Bunlar her iki beyinde de aynı rolleri mi oynuyor? Ayrıca sineğin beyninde insan beyninde gözlenmeyen nörotransmiterler var mı?
PS: Sinekler bizimle aynı nörotransmiterleri (Dopamin, GABA, Asetilkolin vs.) kullanıyor.
SS: Başlıca nörotransmiterler aynı ama çalışma şekillerinde farklılıklar var. Örneğin glutamat bizim beyinlerimizde çoğunlukla uyarıcı ama sinek beyninde genellikle kısıtlayıcı. Fakat bazı benzerlikler de var. Örneğin dopamin, hem sinek hem de insan beyinlerinde “öğrenmeyi ödüllendirme” bakımından önemli gibi görünüyor.
Temelde bir insan beynine benzer şekilde çalışan ama daha ufak olup, haritası daha kolay çıkarılan bir beyne mi bakıyoruz nihayetinde? Yoksa önemli farklılıklar var mı?
SS: Bu bir bardak yarı mı dolu tam mı dolu sorusu. Hem benzerlikler hem de farklılıklar var. Sineklerdeki koku, görme ve gezinme devrelerinin memelilerdeki aynı fonksiyonlara yönelik devrelerle mimari benzerlikler taşıdığını artık biliyoruz. Demek istediğim şey, farklı binalarda benzer mimari motiflerin bulunabileceği gibi bu devrelerde de benzer bağlantısallık motiflerinin bulunuyor olması.
Sinek konektomu, sinirbilimcilerin herhangi bir beynin nasıl işlev gösterdiğini ilk defa çok derin bir şekilde anlamasına yardımcı oluyor. Zamanın bu noktasında, gerçek manada anlayabildiğimiz herhangi bir beyin tüm beyinleri anlamamıza yardımcı oluyor.
Neden meyve sineklerinin bu türü üzerinde çok araştırma yapılıyor? Onu bu kadar ilgi çekici hale getiren ne?
SS: Drosophila melanogaster, biyolojide yüzyılı aşkın bir süredir örnek bir canlı şeklinde kullanılıyor. Dolayısıyla sinirbilimciler de doğal olarak onu benimsemiş. Yani diğer böcek türlerinin konektomları ufukta: Karıncaların, sivrisineklerin, arıların vs. Bu konektomları birbiriyle kıyaslamak ve böcek davranışlarının zengin çeşitliliği ile aralarında ilişki kurmak, heyecanlı ve eğlenceli bir araştırma sahası olacak.
Mala Murthy: Sinekler, beyinleri bizimle aynı problemlerin çoğunu çözdüğünden ve ayrıca yürüme ve uçma, öğrenme ve hafıza davranışları, gezinme, beslenme ve hatta sosyal etkileşimler gerçekleştirmek gibi karmaşık davranışları yerine getirebildiğinden, sinirbilim için önemli bir örnek sistemi. Benim laboratuvarım beynin sosyal iletişime nasıl aracılık ettiğini inceliyor. Sineklerin ise sürekli olarak sosyal bir partnerden görme ve ses gibi geribildirim işaretlerini kullanarak, her bir an hangi eylemi gerçekleştireceklerine karar verdiklerini keşfettik; hatta farklı bağlamlarda farklı tercihler bile yapabiliyorlar. Bu tip kompleks bir davranış için beynin büyük bir bölümünün kullanılması ve bu davranışı çözmek için de beyindeki bütün bağlantıların eksiksiz bir haritasının çıkarılması gerekiyor.
Makalelerde bir “kar tanesi” fikri ve herhangi bireysel bir beynin, bir türü nasıl temsil edebileceği sorusu tartışılıyor. Buradaki soru; bir beynin yapısının (elektronik bir benzetme kullanılacak olursa, “devresi”) bir tür boyunca ne kadar benzer olduğu, o yapı içerisindeki fiili bağlantıların (“kablo şebekesi”) ne kadar farklı olabileceği. Örneğin nöron x ve nöron y, iki beyinde fiziksel olarak bağlantılı olabilir ama beyinlerin birinde bu bağlantı pasifken diğerinde aktif olabilir mi?
PS: Bu ilginç bir soru. Konektom biliminde, iki nöron arasındaki bağlantının pek çok tekil sinapstan oluştuğu zaman “kuvvetli” olduğunu söyleme eğilimi gösteriyoruz. FlyWire veri seti ile önceden oluşturulmuş kısmi bir beyin haritası arasında yaptığımız karşılaştırmaya göre güçlü bağlantılar, her iki beyinde de neredeyse her zaman mevcut. Sen (ve aslında diğer pek çok sinirbilimci) şimdi haklı olarak bir bağlantının bu “yapısal” kuvvetinin mutlaka “işlevsel” kuvvete çevrilip çevrilmediğini soruyor.
Kısa cevap: Büyük ihtimalle evet. Biraz daha uzun cevap ise kesin olarak bilmediğimiz. Fakat bildiğim kadarıyla önceki fizyolojik ve davranışsal çalışmalarda bildirilmiş işlevsel bağlantıların, yapısal açıdan konektomda da kuvvetli olduğu ortaya çıktı. Yani bu soru, sinirbilim camiasının önümüzdeki yıllarda ele almak zorunda olduğu büyük bir soru.
Akabinde akıllara “kablo bağlantısında” da birtakım evrenselliğin olup olmadığı sorusu geliyor; yani her zaman bağlı olan veya “bütünleşik” bazı nöronların olup olmadığı sorusu.
MM: Aslında beyin organizasyonunda benzerlik var ve bunların nasıl işlev gösterdiğini anlamak heyecanlı olacak.
Meyve sineğinde yaklaşık 10^5 nöron var ve bir fare beyninde bu sayı 10^8. Nöronlar arasındaki bu bağlantı sayısı, nöron sayısına kıyasla ne ölçekte? Bir farenin beynindeki nöronlar arasındaki bağlantı, bir sineğin beyninden 1000 kat veya çok daha mı fazla?
Greg Jeffris: Aslında, nöron başına sinaps sayısı muhtemelen 10 kattan fazla değişmiyor. Bunun bir sebebi de sinek sinapslarının memeli sinapslarından daha küçük olması ve çok bağlantılı tabiatlarının olması olabilir. Ayrıca sinek konektomundaki güçlü eş nöronlar arasında daha fazla tekil sinaps da olabilir (iki nöron arasındaki şampiyon bağlantılar, tekil sinapsların binlercesiyle ifade ediliyor).
Son olarak, elimizde sinek beyninin böylesine detaylı bir haritasının olmasının gelecekteki araştırmalar için tam olarak nelere olanak sağlayacağından biraz bahsedebilir misiniz?
PS: Evet, kesinlikle. Bu beyin haritası, gelecekteki deneysel konektomların karşılaştırılabileceği bir temel sunuyor. Örneğin bir sinek, normalde hayvana çekici gelen bir kokuyu sevmemek üzere eğitilebilir ve sonrasında o sineğin beyin haritası çıkarılıp FlyWire ile karşılaştırılarak, devresel seviyede neyin değiştiği görülebilir. EEG sineklerde işe yaramazken (çok ufaklar), bir konektomun üstüne kalsiyum görüntüleme veya elektrofizyolojik kayıtlar gibi diğer yaklaşımlarla bindirme yapmak, pek çok araştırma grubunda etkin biçimde işe yarayan bir şey.
Yazar: Tom Hawking/Popular Science. Çeviren: Ozan Zaloğlu.
