Davranışlarımızın Ardındaki Gizemli Ağ

İnsan beyninin mahiyeti nedir?Bunu sorarken beynin fonksiyonunu sorguluyor isek cevabı net bir şekilde veremeyiz. Bu cevabı net olarak ortaya koyabilseydik eğer, zihin hastalıklarının teşhis ve tedavisinde yepyeni bir yolda ilk adımımızı atmış olurduk. Siemens’in deneysel manyetik rezonans görüntüleme tekniğini kullanan iki grup Amerikalı araştırmacı davranışlarımızın arka planında onları şekillendiren ağları çözmeye başladılar.

20

Puslu bir giz tabakası ile örtülü bir gezegeni keşfe çıkan astronotlar gibi Amerika’dan Avrupa’ya bütün büyük üniversitelerdeki bilim adamları da kainattaki en karmaşık yapılardan birini oluşturan -100 milyar nöron ve 150 trilyon sinapsa sahip- insan beyninin gizemini çözme misyonunu yüklenmişlerdir. Amerika Ulusal Sağlık Enstitüsü tarafından 40 milyon dolarlık fon ayrılan İnsan Beynini Haritalandırma Projesi (Human Connectome Project- HCP), beynin yapısı ile fonksiyonu arasındaki ilişkiyi keşfetmeye çalışmaktadır. St. Louis’deki Washington Tıp Fakültesi’nin Anatomi ve Nörobiyoloji Departman Başkanı Profesör Dr. David Van Essen “Burada asıl amaç, günümüz görüntüleme teknolojisi kadar insan beynindeki nöron ağlarını deşifre etmek ve bu nöron ağının davranışlarımıza ve insanlar arasındaki davranış farklılıklarına katkısını incelemektir.” diyor.

İnsan Beynini Haritalandırma Projesi iki konsorsiyuma ayrılmış bir şekilde yürütülmektedir. Bu konsorsiyumlardan biri WU-Minn konsorsiyumu (Washington Ünicersitesi& Minnesota Üniversitesi), diğeri de MGH/Harvard-UCLA konsorsiyumudur (Harvard Üniv. & Kaliforniya L.A. Üniv. & Massachusetts General Hospital). WU-Minnkonsorsiyumu projeyi makro-skalada incelemektedir ve daha çok fonksiyon-yapı ilişkisi üzerine yoğunlaşmaktadır. MGH/Harvar-UCLA konsorsiyumu ise daha çok projede kullanılan araçları geliştirme görevini üstlenmektedir.

 

Tesla Siemens MRI tarayıcısı ile yeni bir görüntüleme tekniğini kullanan araştırmacılar beyindeki beyaz maddenin örgüye benzer yapısını gün yüzüne çıkardılar.

 

Harvard Tıp Fakültesi’nde Radyoloji Profesörü olan ve üniversitenin Massachusetts, Boston’daki A. Martinos Biyokimyasal Görüntüleme Merkezi’nin başkanı olan Dr. Bruce R. Rosen “Bu projeyi ayakta tutan hipotez şudur…” diyor.“Yapı ve fonksiyon arasındaki bağlantıyı çözebilirsek eğer, otizm gibi hastalıkların kökenini daha iyi kavrarız ve inme benzeri olaylar neticesinde gelişen rahatsızlıkların tedavisini çok daha etkili bir biçimde gerçekleştirebiliriz.”

 

Deneysel Tarayıcılar

Proje hayata geçirilebilirsezihin hastalıklarının, nörodejeneratif hastalıkların ve beyin hasarlarının teşhis ve tedavisinde köklü değişiklikler meydana gelecektir. Bunun için araştırmacılara iki önemli görev düşüyor: Beynin üç boyutlu mimarisini hem fonksiyonel hem de yapısal olarak haritalandırmak ve bu haritayı tamamen açıklamak.  Ayrıca sağlıklı beyin ile patolojik beynin yapı ve fonksiyon açısından tam bir karşılaştırmasının yapılması da gerekmektedir. Bu projeye katkı sağlamak amacıyla Siemens iki tarayıcı geliştirdi. Bu deneysel 3-Tesla manyetik rezonansgörüntüleme (MRI) tarayıcılarından ilki amacına ulaştı, ikincisi iseMinnessota Tıp Fakültesi’nin Manyetik Rezonans Araştırmaları Merkezi (CMRR) ve St. Louis’deki Washington Üniversitesi’nin birlikte yürüttüğü büyük araştırmalarda hâlâ kullanılmaktadır.

Bu tarayıcılardan biri, klinikte kullanılan MRI’lardan 2,5 kat daha güçlüdür, CMRR için geliştirilmiştir ve St. Louis’ye de gönderilmiştir. (Klinik cihazlardan farkı uzaysal kodlamalar amacıyla kullanılıyor olmasıdır)  Diğer tarayıcının üretilmesinde de, klinikte kullanılan 3-Tesla MRI tarayıcısının en son sürümünden 7,5 kata kadar daha güçlü olması hedeflenmiştir. Bu tarayıcı Boston’daki Martinos Merkezi ile Los Angeles California Üniversitesi’nin ortak talebi üzerine geliştirilmiştir.

 

 

“İnsan Beyninin Haritalandırılması Projesi, insan beynine dair temel soruların cevaplandırılmasında bize yardımcı olması için tasarlanmıştır.” diyor CMRR’nin başkanı olan Prof. Kamil Ugurbil. “Fonksiyonel beyin görüntülemesi (fMRI) gibi yürürlükteki MR teknikleri ve son 20 yıla ait difüzyon görüntülemesi bu projenin gerçekleşmesini mümkün kılmıştır. Buna rağmen donanımda ve görüntü elde etme metotlarında hâlâ kendimizi geliştirmek zorundayız, bu sebeple tüm çabamızı bu işe adamaktayız.”

 

Çığır Açan Bir Teknoloji

Araştırmacılar yıllardır insan beynindeki nöronların oluşturduğu ağsı yapıyı görüntülemektedirler. Bunun için beyindeki suyun anizotropik difüzyonunun MR görüntülerini ve daha sık olarak da istirahat halindeki fMRI (restingstate fMRI)teknolojisini kullanmaktadırlar. İstirahat halinde fMRI ve özel bir difüzyon görüntüleme tekniği olan yüksek açısal çözünürlüklü difüzyon görüntülemesi (highangularresolutiondiffusionimaging-HARDI), Washington Üniversitesi ve Minnesota Üniversitesi’nin oluşturduğu konsorsiyumunen çok tercih ettiği görüntüleme tekniklerindendir. Öte tarafta Massachusetts General Hospital’de radyoloji profesörü ve Athinoula A. Martinos Biyomedikal Görüntüleme Merkezi’nde Beyin Haritalandırma Projesi’nin başkanı olan Dr. Van J.’nin öncülüğünde 2005 yılında geliştirilen Difüzyon TensörGörüntüleme’nin genel bir formu olan Difüzyon Spektrum Görüntüleme (DSI) Massachusetts General Hospital ve Kaliforniya Üniversitesi’nin oluşturduğu konsorsiyumunda asıl olarak tercih edilmektedir. Her bir MRI vokselindeki (pikselin üç boyuttaki karşılığı) nöral yolların örgüye benzer yapısının aydınlatılması kesişen yolların gizeminin çözülmesine olanak sağlayacaktır.

 

 

Difüzyon görüntülemesi, dokudaki su moleküllerinin titreşimi prensibinden yararlanmaktadır. Su molekülleri titreşirken içindeki hidrojen çekirdekleri (protonlar) de titreşmektedir. Pozitif yüklü bu hidrojen çekirdeklerinin hareketi hızlı bir şekilde değişen statik ve dinamik manyetik alanlar oluşturmaktadır. Bu manyetik alanların sürekli değişmesi sonucunda da radyo sinyalleri oluşmakta ve dokunun çevresine doğru yayılmaktadır. “Beyin hücreleri arasındaki bağlantıları oluşturan beyaz maddede nöron aksonları bulunmaktadır. Titreşen su molekülleri doğal olarak aksonlar boyunca yayılma eğilimindedirler. Bu sayede elimizdeki teknoloji ile aksonların oluşturdukları yolların görüntülerini elde edebiliyoruz” diye açıklıyor Wedeen ve ekliyor ; “Böylece elde edilen binlerce vokseli bir araya getirdiğimizde bir beyaz madde yolunu, ki biz buna arazi diyoruz, oluşturmuş oluyoruz. Fakat burada asıl önemli nokta bu yolların kesişiminde kendini gösteriyor; DSI bu noktaları da doğru bir şekilde tespit edebilmektedir. Bu teknoloji sayesinde insan beyninde muazzam bir yaygınlık gösteren beyaz madde şebekesini üç boyutlu olarak elde edebiliyoruz.”

 

Yüksek Çözünürlüğün Anahtarı

Her şeye rağmen görüntüleme teknolojisinde bugün bulunduğumuz konuma gelmek hiç de kolay olmadı. MRI duyarlılığında büyük gelişmelere ihtiyaç duyuyorduk. Aynı zamanda su moleküllerinden elde edilen uzaysal verilerin işlenme hızını çok daha yüksek seviyelere çekmemiz gerekiyordu. Piyasadaki tarayıcıların hiçbiri beklentilerimizi karşılayamıyordu. Boston’daki bilim adamları önceden iddia edilenin aksine ana mıknatısın 3 Tesla’dan daha yüksek manyetik alan oluşturmanın gerekli olmadığınıkeşfettiler. Bunun yerine ana mıknatısın manyetik alanını modüle edecek çok daha küçük manyetik bobinlerin gücünün arttırılması gerekti. “Bu elemanlar (bobinler), su moleküllerinin uzaysal özelliklerini kodlayan MR bileşenleridir. Basitçe size maddelerin nerede bulunduklarını gösterir.” diyor Rosen.

Bu bobinler ne kadar güçlü olursa su moleküllerinin difüzyonunu o kadar hızlı kodlar. Bunun sonucunda da elde edilen görüntüdeki açısal çözünürlük daha da keskinleşir ve kesişen yolların aydınlatılması çok daha kolaylaşır. “Bunu bir kameraya benzetebiliriz; resmi daha net ve hızlı bir biçimde çekebiliyoruz. Sonucu bu kadar etkili olsa bile hâlâ aksonları direkt görüntülemiş olmuyoruz, gerçekte görüntülediğimiz sadece su moleküllerinin hareketidir.”

 

 

Su Molekülleri ve Aksonlar

Fakat akıllara şu soru gelebilir: Su moleküllerinin neden aksonları takip ediyor? Martinos Merkez’inde MRI Çekirdek Tesisi (MRI CoreFacility) başkanı Lawrence L. Wald bu soruyu şöyle yanıtlıyor; “Aksonlar uzun ince tüp şeklinde olduklarından adezyon kuvvetinin neticesinde su molekülleri aksonların içinde ve dışında onlara paralel titreşme eğilimindedir. Dahası bu hareketlerini akson yollarının uzunluğuna o kadar uygun bir şekilde gerçekleştirirler ki birbirlerine 10-20 mikron kadar yakınlıktaki aksonları oluşan MRI sinyalleri ile görüntüleyebiliriz. Yani eğer su moleküllerinin hareketlerine karşı duyarlı isek, belli yönlerde uzayan aksonlara karşı da duyarlı olabiliriz.”

 

Mühendislik Harikası

Piyasadaki in vivo (canlı içi) klinik görüntüleyici olan 3 Tesla MRI tarayıcıları en üst seviyede güçlü elemanlar içermektedir, metre başına 40-45 mili-Tesla (mT/m). Ancak Wedeen’in primatlar üzerine çalışmaları gösterdi ki bu gücün yükseltilmesi daha keskin difüzyon görüntülerinin üretilmesini sağlayabilir. Bu tavsiyeyi göz önünde bulundurarak MGH/UCLA konsorsiyumu ve Minneapolis/St. Louis araştırmacıları Eva Eberlein liderliğindeki Siemens MR mühendisliği takımına şu ankinden daha güçlü bobinler üretmeleri için talepte bulundular. “Bu talebimize cevap olarak iki ila sekiz kata kadar daha güçlü iki prototip geliştirmeyi başardılar. Bu kelimenin tam anlamıyla mühendisliğin bir güç gösterisiydi.” diyor Wald. 80mT/m ila 300 mT/m arasında bobin güçleri sayesinde elektromanyetik enerji yoğunluğu en üst seviyede 56 katına kadar çıkabilmektedir.

 

Simultane Kesitler

Tüm bunlar bize insanoğlunun zorluklara nasıl karşı koyduğunu gösteriyor. Güçlü bobinlerin daha yüksek çözünürlüklü görüntülere imkân tanıdığını bilmek, aynı anatomik bölgenin tekrar tekrar ve giderek daha da ayrıntılı olarak haritalandırılması için daha fazla MR kesitleri elde edilmektedir. Fakat çözünürlüğü iki katına çıkarmak tarama sürelerini de dört katına veya daha da fazlasına kadar uzatmaktadır. Bu sebeple tarama süresini kısaltmak için şifreleme teknolojisini geliştirmek gerekmektedir. CMRR tarafından geliştirilen bazı ön fikirlere dayanarak, Çok-Bantlı Çok-Kesitli (MultibandMultislice) görüntülemenin üretilmesi gibi, MGH araştırmacıları, “Simultane Çoklukesitler” isimli bir teknik icat ettiler. Bu teknikle aynı anda birkaç MR kesitini minimum duyarlılık kaybı ile elde edebilmekteyiz. “Bu teknoloji görüntülemeyi üç katına çıkarmaktadır ancak güçlü bobinleri de işin içine kattığımızda, görüntüleri elde etme hızımız dört katına çıkmaktadır.” diyor Wald. “Yani tüm bunları hesaba kattığımızda ortalama tarama süresini bir saatten 15 dakikaya kadar düşürebilmekteyiz.”

 

 

Beynin Veri Tabanını Kuruyoruz

Harvard-UCLA konsorsiyumu İnsan Beynini Haritalandırma Projesi’nde tarayıcıları geliştirme üzerine çalışmalar yürütürken Washington Üniversitesi ve Minnesota Üniversitesi’nin oluşturduğu konsorsiyum veri elde etmede metodolojik gelişmelerin sağlanması ile uğraşmamaktadır. Aynı zamanda geniş çerçeveli bir çalışma ile beynin fonksiyonu ve anatomisi arasındaki bağlantının gizemini çözmeyi amaçlamaktadır. “Beynin tüm yapılarını anatomik olarak görüntülesek bile asıl amacımızı gerçekleştirmiş olmayız. Beynin yapılarının fonksiyonel olarak ne anlama geldiğini de açıklamamız gerekir. Bunun için de insan beynine Fonksiyonel Görüntüleme ile yaklaşmalıyız.Fonksiyonel Görüntüleme yaklaşımları için özellikle istirahat hali fMRI’ı kullanışlı olmaktadır. İstirahat hali fMRI ile sadece beyindeki maddesel ağ hakkında bilgi edinmek yerine beyin yapılarının fonksiyonlarına dair bilgileri de elde etmekteyiz, bu şekilde difüzyon görüntülemesinden elde edilen verilerin tamamlayıcısı olarak fMRI’ı kullanmaktayız.” diyor Washington Üniversitesi’nde konsorsiyumu Prof. Kamil Ugurbil ile birlikte yöneten David Van Essen.

 

Geliştirilmiş Veri Elde Etme Teknolojisi

Yüksek çözünürlüklü fonksiyonel MRI üzerine çalışmalarının – Siemens’in 7 Tesla MR sistemi ile - olumlu sonuçlar doğurmasıyla motivasyonları iyice artan CMRR takımı 2008’den beri tarama sürelerinin kısaltılmasını sağlayacak bir yenilik geliştirmeye çalışmaktadır. Şimdi ise geliştirdikleri bu teknikleri İnsan Beynini Haritalandırma Projesi’ne (HCP) adapte etmektedirler; “Çok-Bantlı Çok-Kesitli Görüntüleme”yi (MultibandMultisliceImaging) HCP 3 Tesla Tarayıcısına adapte ettiler ve fonksiyonel bağlamda veri elde etme hızını 9 kata kadar arttırmayı başardılar.

Kendilerini sınırlayan problemleri birbir aşan bu takımın yeni amacı, genetik olarak bağlantılı 1200 insanı bu yeni teknoloji ile taramadan geçirmektir. “Projenin bize bakan yüzünde üzerimize düşen sorumluluk önceden ulaşılması mümkün görünmeyen verileri elde edip beynin bağlantısal şablonunu oluşturacak bir veri tabanı üretmek ve bu veri tabanından istenilen bilgilere kolayca ulaşılmasını sağlayacak araçlar geliştirmektir.” diyor Ugurbil.

Buna ek olarak, Van Essen-Ugurbil takımı, Minnesota Üniversitesi grubunun öncülüğünde, süper yüksek manyetik alanlarda (7 Tesla) birçok hasta üzerinde taramalar gerçekleştirdi. “Yedi Tesla, istirahat hali fMRI ve anatomik görüntülemenin çok daha üstündedir ve difüzyon görüntülemesinden daha iyi bir performans ortaya koyması beklenmektedir.” diyor Ugurbil.

Projenin birbirleri ile genetik olarak yakın ilişkili insanlar üzerinde durmasının esas amacı, tamamen yeni bir veri tabanı oluşturmak ve bu veri tabanını “Genetik Görüntüleme” olarak adlandırılan yeni bir alana aktarmaktır. Genetik bilgi ile görüntülemeden elde edilen bilgiler arasındaki muhtemel ilişkileri keşfederek araştırmacılar zihin hastalıklarının arka planında gizlenen mekanizmayı gün yüzüne çıkarmayı ummaktadır. “Hâlihazırda bu konuda ortaya konmuş ve yayınlanmış birçok çalışma bulunmaktadır. Mesela, otizmde beynin anatomi-fonksiyon ilişkisinin zayıflamasına sebep olan anormal beyin döngülerinin ortaya çıktığı kanıtlanmıştır. “ diyor Van Essen. “Fakat biz bu araştırmayı farklı bir boyuta taşımaya çalışıyoruz. Genom Projesi nasıl biyo-bilişim (bio-informatics) dünyasının kapılarını aralamışsa, biz de nöro-bilişim dünyasının kapılarını gözlemekteyiz. Bu sayede görüntüleme modelleri ile elde edilen sonsuz bilgiyi yararımıza çevirebiliriz.”

Bu yoldaki ilk adımımızı çoktan attık. Van Essen ve Ugurbil, verileri elde eden, onları analiz eden ve bilgiye dönüştüren ardından da görselleştiren bir tasarı ile çok yol kat etti. Sağlıklı yetişkinler üzerinde gerçekleştirilen bir pilot çalışmayla sağ ve sol beyin loplarının interaktif bir veri kümesini (dataset) geliştirmeyi başardılar. Oluşturulan görüntülerin kaynağı istirahat hali fonksiyonel MRI’dır. Üretilen veri tabanına bağlı olarak, siyah bir nokta ile işaretli incelenen beyin alanın hangi spesifik beyin alanları ile ilişki kurduğu gösterilmektedir. Kırmızı ve sarı alanlar, ilgili beyin alanı ile sıkı bir ilişki içerisindedir.Kullanıcı sadece veri kümesindeki bir noktaya tıklayarak 30 gb büyüklüğündeki datayı sorgulamaktadır. “Böyle bir aracın geliştirilmesi ile bir ilk gerçekleşmiş oluyor.” diyor Van Essen. “Veri tabanı genişledikçe, çok daha güçlü bir hale bürünmektedir. Ancak bu, İnsan Beynini Haritalandırma Projesi için yalnızca bir ön gösteri niteliğindedir.”

 

Kaynak: Siemens

 

Yazar: Ali Murat Dudu