Harvard Tıp Fakültesi ve Princeton Üniversitesi liderliğindeki uluslararası bilim kurulu, yürüme ve uçma gibi karmaşık davranışlarda beyin-vücut etkileşiminin temel prensiplerini çözmek için araştırma gerçekleştirdi. Bu doğrultuda, yetişkin bir meyve sineğinin merkezi sinir sistemindeki tüm nöron ve sinapsları kapsayan ilk eksiksiz bağlantı haritası (konnektom), seri kesit elektron mikroskobu ve gelişmiş yapay zeka araçlarıyla laboratuvar ortamında başarıyla oluşturuldu.
Araştırmacılar, bağlantı ağını analiz ederken, meyve sineği davranışlarının çoğunun beyindeki merkezi bir noktadan ziyade, ilgili vücut bölgelerindeki yerel sinir devreleri tarafından kontrol edildiğini keşfetti.
Nature dergisinde yayınlanan çalışmanın kıdemli ortak yazarlarından ve Harvard Tıp Fakültesi Blavatnik Enstitüsünde Nörobiyoloji Alanında Temel Araştırmalar Profesörü Rachel Wilson, ilk kez tüm nöronları ve bağlantılarını eksiksiz bir birim olarak görebildiklerini ifade etti.
Sinir bağlantılarının detaylı bir şeması olan konnektom, daha önce yayınlanmış sinek beyninin konnektomuna, meyve sineğinin omuriliğine eşdeğer olan sinir kordonunun haritasını ekliyor.
Harvard Medical School bültenine konuşan çalışmanın kıdemli ortak yazarlarından nöroloji profesörü Wei-Chung Allen Lee, “Beyin ve vücudu birbirine bağlayabilmemiz ve davranışı bütünsel olarak düşünmeye başlayabilmemiz için mümkün olduğunca eksiksiz bir merkezi sinir sistemi bağlantı ağına sahip olmak gerçekten çok önemli.” dedi.
“İnanılmaz derecede gelişmiş”
Beyin ve vücuttaki nöronların birbirleriyle nasıl bağlantı kurduğu ve birlikte çalışarak davranış ürettiği, sinirbilimde önemli ve henüz çözülmemiş bir soru. Bu noktada araştırmacıların meyve sineği Drosophila melanogaster üzerinden oluşturduğu harita bu soruyu incelemek için etkili bir model sunuyor.
Meyve sinekleri laboratuvarda kolayca yetiştirilip muhafaza edilebiliyor. Yaklaşık 160 bin nörondan oluşan nispeten basit bir sinir sistemine sahip olmalarına rağmen, yön bulma, sosyal etkileşim, öğrenme ve duyusal ipuçlarına yanıt verme gibi karmaşık davranışlar sergiliyor.
Profesör Lee’nin “inanılmaz derecede gelişmiş bir genetik araç seti” olarak tanımladığı faktöre sahip bu sinekler, araştırmacıların bireysel nöronlardan veya nöron popülasyonlarından gelen aktiviteye erişebileceği, bunları kontrol edebileceği ve kaydedebileceği anlamına geliyor.
Beyin-vücut ilişkisini anlamak zor
2024 yılında çalışmanın ortak yazarlarından Princeton’dan Mala Murthy ve Sebastian Seung’un liderliğindeki FlyWire Konsorsiyumu, bir meyve sineği beyninin eksiksiz bir bağlantı haritasını yayınladı. Aynı dönemde, Lee ve meslektaşları, meyve sineğinin bacaklarını, kanatlarını ve diğer uzuvlarını kontrol eden ve duyusal bilgileri işleyen sinir kordonunun bağlantı haritasını geliştirdi.
Araştırmacılar, beyin ve sinir kordonu bağlantı haritalarının kendi başlarına faydalı olduğunu ancak aralarında bir köprü kurulmadığı sürece bilginin vücut ile beyin arasında nasıl hareket ettiğini anlamanın zor olduğunu belirtiyor. Buna göre beyin, nöronların büyük çoğunluğunu barındırsa da sinir kordonundakiler duyusal algı ve hareket gibi hayati işlevlerde rol oynadıkları için yorumlanması en kolay ve en kullanışlı hücreler olarak öne çıkıyor.
Çalışmanın yazarları ise bu bulgularla çalışmanın heyecan verici olduğunu vurgulayarak, bu haritanın beyindeki devrelerin vücuttan nasıl geri bildirim aldığını ve eylemleri nasıl kontrol ettiğini anlamlandırarak, bilim dünyası için büyük bir ilerleme katettiklerini belirtti.
Google Haritalar’a benziyor
Araştırmacılar, bağlantı haritasını oluşturmak için tek bir meyve sineğinden binlerce ince, seri kesit aldı ve bunları elektron mikroskobuyla görüntüleyerek milyonlarca nöron ve sinir bağlantısı görüntüsü elde etti. Daha sonra, görüntüleri hizalamak ve bunları tutarlı bir 3D haritaya dönüştürmek için yapay zeka araçları kullanıldı.
Harita sineğin tüm vücudunu içermese de araştırmacılar tanımlanabilir nöronları ve bilimsel literatürü kullanarak merkezi sinir sistemindeki nöronları birçok uzvu ve duyu organındaki nöronlarla ilişkilendirmeyi başardı ve böylece konnektomu etkili bir şekilde somutlaştırdı.
Lee, araştırmacıların bağlantı ağını kullanarak laboratuvarda test edecekleri yeni hipotezler oluşturabileceğini aktardı ve bunu Google Haritalar’da yeni rota oluştururken kapsamlı bilgilere erişmesine benzetti.
İnsan sinir sistemenine ışık tutabilir
Araştırmacılar, bağlantı haritalarını kullanarak gelecekte sınırsız araştırma alanı açmasını öngörüyor. Yakın gelecekte, nöronların iletişim kurmak için kullandığı küçük, protein benzeri moleküller olan nöropeptitler de dahil olmak üzere, bağlantı ağına daha fazla bilgi eklemeyi planlıyorlar.
Araştırmacıların üzerinde yoğunlaştığı büyük bir soru ise sineklerde gözlemledikleri sinir devrelerinin dağıtılmış kontrolünün diğer türlerde de olup olmadığı. Araştırmacılar, şu anda bu konu için fareler üzerinde araştırma yaptıklarını belirtti.
Elde edilen verilerin, sanal dünyalarda yön bulmaya çalışan yapay zeka ajanlarının tasarımında da kullanılması bekleniyor. Yapay zeka araştırmaları ve yapay zekanın eğitimi için kritik önem taşıyan bu somut bağlantı haritası konnektom, geleceğin yapay zeka uygulamalarına doğrudan ışık tutacak nitelikte.
Görsel sahibi Tyler Sloan.
Kaynak: Nature