Brain Dynamics Lab @MEF

  • Sümeyye Özdemir

Milyarlarca Yıldıza Dokunan Milyarlarca Nöron..


“Işık yıllarının enginliğinde ve çağların geçişinde yerimizi fark ettiğimizde, yaşamın karmaşıklığını, güzelliğini ve inceliklerini kavradığımızda, o yükselen duygu, bu coşku ve alçakgönüllülük duygusu bir araya geldiğinde bilim, kesinlikle manevidir.” - Carl Sagan


Doğa vizyonumuzun merkezinde iki büyüleyici sistem vardır: insan beynindeki nöronlar ağı ve kozmik galaksiler ağı.

Beynimiz, hücresel, moleküler ve nöronal fenomenlerin bir arada var olduğu karmaşık, zamansal-uzamsal olarak çok ölçekli bir yapıdır. Nöronların birbirine bağlı farklı fonksiyonel alanlarda kümelendiği, hiyerarşik bir ağ (“insan konektomu/the human connectome”) olarak modellenebilir. Nöronal ağın yapısı, bilişin fiziksel ve biyolojik temelini oluşturan, hepsi nöronları üzerindeki belirli uzay-zamansal aktiviteleri işlemeye adanmış farklı alanlar arasında bağlantı kurulmasına izin verir.


Görsel-1: Konektomun haritalanması.

Evren, sıradan madde (ordinary matter) ve karanlık maddeden (dark matter) yerçekimini açıklayan ΛCDM Modeli (Lambda Soğuk Karanlık Madde-Lambda Cold Dark Matter) adlı bir konsensüs fiziksel modeli ile tanımlanıyor [genel görelilik/general relativity tarafından tanımlanan, genişleyen uzay-zaman için ve karanlık enerji olarak adlandırılan boş uzayla ilişkili anti-yerçekimi enerjisi için]. Kozmik ağın en önemli yapı taşları, içinde sıradan maddenin çökerek galaksileri (ve içindeki tüm yıldızları) oluşturduğu, kendi kendine çekim yapan karanlık madde egemen halelerdir.

Görsel-2: Erken evreni ve genişlemesini temsil eden Büyük Patlama'nın yorumlanması (NASA).







Görsel-3: Zamanın başlangıcından günümüze kozmik ağın oluşumunun bir simülasyonu.





Görüntüler arasındaki benzerlik, bir apofeni vakası olabilir (gerçekte olmadığı yerde benzerliği algılamak). Aralarındaki büyük ölçek farkı göz önüne alındığında, bu iki yapı nasıl benzer olabilir? Peki ya beyindeki nöron ağları ile kozmosdaki galaksi ağları arasındaki görsel benzerliğin ötesinde, nicel bir ölçüm onların gerçekte ne kadar benzer olduklarını karşılaştırabilir mi?


Görsel-4: Kozmik ağın (solda) simüle edilmiş bir madde dağılımı; beyincikte (sağda) nöronal cisimlerin gözlemlenen dağılımı.

İtalya'da, Bologna Üniversitesi'nden astrofizikçi Franco Vazza ve Verona Üniversitesi'nden beyin cerrahı Alberto Feletti 2020’de gerçekleştirdikleri çalışmada, iki sistemin ortak özelliklerinden yola çıkarak, galaksiler ağının simülasyonunu, serebral korteks ve beyincik bölümleriyle karşılaştırdılar.


Makalelerinde yaklaşımlarını şöyle açıklıyorlar:


''Doğadaki en zorlu ve karmaşık sistemlerden ikisi arasındaki benzerlikleri araştırıyoruz: insan beynindeki nöronal hücreler ağı ve kozmik galaksiler ağı. Bu iki büyüleyici sistemin yapısal, morfolojik, ağ özelliklerini ve bellek kapasitesini nicel bir yaklaşımla keşfediyoruz. Her iki sistemin homojen bir analizine sahip olmak için, prosedürümüz gerçek sinirsel bağlantıyı değil, basit yakınlığa (simple proximity) dayalı bir yaklaşımı dikkate alır.''


İncelenen Benzerlikler

İnsan beyni yaklaşık 100 milyar nörona sahipken, gözlemlenebilir kozmik ağ 100 milyardan fazla galaksi içerir. Her ikisi de düğümler ve filamentler aracılığıyla birbirine bağlanan iyi tanımlanmış ağlarda düzenlenmiştir. Düğümler arasındaki bilgi ve enerji akışı, her sistemin kütle ve enerji içeriğinin %25'i kadardır.

Nöronlar, birbirleriyle akson ve dendrit adlı bağlantılar ile iletişim kurarlar. Kim olduğunuzu yaratan sinir ağını oluşturan nöronlar arasında yaklaşık 100 trilyon bağlantı vardır.


Görsel-5: Nöronal ağ.

Evren de ağ bağlantılıdır. Uzayı geniş, uzay parçalarıyla ayrılmış nesneler olarak hayal etsek de, durum tam olarak böyle değil. Gördüğümüz evren, yaklaşık 90 milyar ışık yılı çapında ve yüz milyarlar ila birkaç trilyon galaksiyi içeren “gözlenebilir evren” olarak adlandırılır. Bu galaksiler, bizim Samanyolumuz gibi, milyarlarca yıldız topluluğu, galaksi kümeleri halinde gruplanmıştır. Gruplar ve kümelerin arası boş değildir, bunun yerine milyonlarca ışık yılı boyunca uzanan hem sıradan hem de karanlık maddeyi birbirine bağlayan filamentleri barındırır. Bu şekilde evren, hepsi beyindeki sinir ağlarına benzer şekilde birbirine bağlı dev bir galaksi kümeleri ağı olarak düşünülebilir. Bu ağa ''kozmik ağ'' denir.

Görsel-6: Kozmik ağ.

Ayrıca araştırmacılar, beyin ve evrenin, ağların ağaç dalları, bulut oluşum dinamikleri veya su türbülansı gibi diğer biyolojik ve fiziksel yapılardan daha çok birbirine benzediğini buldular. Bu diğer yapılar doğası gereği fraktaldır. Fraktal desenler kendi kendini tekrar eder ve hangi ölçekte gözlemlediğinizden bağımsız olarak aynı görünür.


Görsel-7: Fraktal paternler.


Diğer bir benzerlik kompozisyon oranlarıdır. Beynin %77'si su iken, kozmik ağ yaklaşık %73 karanlık enerjidir. Su ve karanlık enerji, ağın kendisinin bir parçası değildir, ancak "pasif malzeme/enerji (passive material/energy)" olarak kabul edilir.


Bir benzerlik de, simüle edilmiş evren modellerini haritalamak için gereken bilgisayar verisi miktarının, insan beyninin teorik bellek depolama sınırlarıyla karşılaştırılabilir olmasıdır. Gözlemlenebilir evrenin evrimini simüle etmek için 1-10 Petabayt arasında veriye ihtiyaç vardır. İnsan beyninin toplam depolama kapasitesine ilişkin tahminler yaklaşık 2,5 Petabayttır. Bir insan teorik olarak gözlemlenebilir evrenin yapısının iyi bir bölümünü beyninin içinde depolayabilir ve kozmik ağ, teorik olarak bir ömür boyu insan deneyimlerinin verilerini depolayabilir.

Araştırmacıların 2017'deki açıklamaları şöyledir:


"Bellek kapasitesindeki bu benzerlik, bir insan beyninde depolanan tüm bilgilerin (örneğin, bir kişinin tüm yaşam deneyiminin) evrenimizdeki galaksilerin dağılımına kodlanabileceği anlamına gelir. Bu, evrenin bir beyin olduğu ya da sezme yeteneğine sahip olduğu anlamına gelmez. Ancak, her ikisinin yapılarının büyümesini yöneten yasaların aynı olabileceğini ima eder.’’

Evren İçinde Bir Evren-Nasıl incelediler?

Araştırmacılar insan korteksinin 4 mikrometre kalınlığında dilimlerini kullandılar. Bunlar, 1 milyon kübik megaparsek uzaydan oluşan bilgisayar simülasyonlu hacminden alınan 25 megaparsek kalınlığında evren "dilim" ile karşılaştırıldı. Beynin ve Evrenin dilimleri, her ikisinin de birbirinden farklı -27 ölçek büyüklüğünde- olduğu göz önüne alındığında, kalınlık bakımından nispeten karşılaştırılabilir.

Yapıdaki benzerlik her zaman belirgin değildi. Beyin dokusunda 40x büyütmede, yapıdaki benzerlikleri görmeye başladılar. 40x büyütme, beyinde 0,01-1,6 mm ve evrende 1-100 megaparseklik bir ölçeği temsil eder. Burada nöronal ağ, galaksi kümeleri gibi görünür.


Görsel-8: Çeşitli büyütme seviyeleri için beyincik (üst sıra), beyin korteksinin (orta sıra) ve kozmik ağın karanlık madde dağılımının (alt sıra) dilimlerinin örnekleri için normalleştirilmiş yoğunluk kontrastının haritaları.

Ağ benzerliğini iki teknik kullanarak ölçtüler:

-Belirli bir ağdaki ağ bağlantılarının uzunluklarını ve bağlantı derecesini ölçen “ağ derece merkeziliği (network degree centrality)”dir. Bir nöronun çekirdeği, bağlantı eksenleri ve dendritlerin uzunluğundan yarıçap olarak çok daha küçüktür. Benzer şekilde, galaksi kümelerinin yarıçapı, bağlantı filamentlerinin uzunluğundan çok daha küçüktür.

-Her bağlantı düğümüne (nöron veya galaksi kümesi) bitişik yapı miktarını ölçen ve bu yapıyı ağ içindeki rastgele bir noktayla karşılaştıran "kümeleme katsayısı (clustering coefficient)"dır. Bu karşılaştırma, her iki ağda da organizasyon ile rastgeleliği karşılaştırır.

Feletti bulgulanan benzerliği şöyle açıklıyor:


"Bir kez daha, yapısal parametreler beklenmedik uyum seviyelerini belirledi. Muhtemelen, iki ağ içindeki bağlantı, galaksileri ve nöronları düzenleyen fiziksel güçler arasındaki çarpıcı ve bariz farka rağmen, benzer fiziksel ilkeleri izleyerek gelişiyor. Bu iki karmaşık ağ, kozmik ağ ile bir galaksi veya bir nöronal ağ ve bir nöronal cisim içi arasında paylaşılanlardan daha fazla benzerlik gösteriyor."


Araştırmacılar istatistiksel analizleri de kullandılar;

  • Spektral Analiz (spectral analysis) ile, her bir düğüme bağlı filament sayısı gibi diğer morfolojik özelliklere bakıldı. 3800 ila 4700 düğümden oluşan bir örneğe dayanan kozmik ağ, düğüm başına ortalama 3,8 ila 4,1 bağlantıya sahipti. 1800 ila 2000 düğümden oluşan bir örnek için insan korteksi, düğüm başına ortalama 4,6 ila 5,4 bağlantıya sahipti.


  • Güç spektrumu analizi (power spectrum analysis) ile, araştırmacılar ağaç dalları, bulutlar ve su türbülansı görüntüleri dahil olmak üzere diğer karmaşık sistemlerin güç spektrumlarını karşılaştırdılar, ancak hiçbiri nöron ve evren ikilisini eşleştirmeye yaklaşmadı.



Görsel-9: Solda: tüm numunelerdeki yoğunluk dalgalanmalarının güç spektrumları. Sağda: yoğunluk dalgalanmalarının güç spektrumları, gölgeli alanlar tüm numuneler için tüm spektrum dağılımını kapsar. Diğer örnek doğal sistemlerden alınan güç spektrumlarının karşılaştırması gri çizgilerle gösterilmiştir.

  • Ağ analizi (network analysis), güç spektrumları, sistemlerin karmaşıklığına dair herhangi bir ipucu vermeyeceğinden, düğüm başına ortalama bağlantı sayısını ve bu düğümlerin nasıl bir araya toplandığını karşılaştırmak için her iki sistemin ağlarını araştırdılar. Burada göreceğimiz parametre, yerelleştirilmiş alandaki bir ağın bağlanabilirlik derecesini ölçen derece merkeziyettir (the degree centrality).



Görsel-10: Üst paneller: üç ağ örneği için düğümler arasında yeniden yapılandırılmış bağlantıların yakınlaştırılmış ayrıntıları. Alt paneller: tüm dilimler için kümeleme katsayısının ve derece merkeziliğinin dağılımları.

Çalışmanın sınırlılıkları neler?

Araştırmacılar makalelerinde şöyle sıralıyorlar:

-Buradaki karşılaştırma maddenin yoğunluğuna odaklandı. Nöronal ağın ana hatlarını çizmek için nörofilamentlerin seçimi, nöronların sitoplazmik bölümünde oldukça eşit bir şekilde ifade edilmelerine dayanıyordu. Sonuçlar, mikrofilamentler veya mikrotübüller gibi farklı belirteçlerle daha da doğrulanmalıdır.

-En yüksek boya yoğunluğunun, standart olmayan bir düğüm tanımına yol açan bir yaklaşım olan nöronal soma seviyesinde bulunduğu varsayıldı. Sonuçları, fonksiyonel sinir ağı verileriyle ve anatomik-görsel tanımı kaybetmeden doğrulamak için daha fazla çalışmaya ihtiyaç vardır.

-Çalışma beyin ağının sadece küçük bir bölümünü açıkça gösterebilen histolojik dilimlere dayanıyor. Dahası, kozmik ağ, ağını tanımlamak için yakınlığı kullanırken, sinir ağları, uzamsal olarak önemli ölçüde uzun menzilli olabilen ve yöntemin teknik sınırlaması nedeniyle kullanılan analizler aracılığıyla doğru bir şekilde değerlendirilemeyen bağlantılara dayanmaktadır.


Kullanılan beyin örnekleri korteksten alınırken, tüm beyin tek tip değildir. Beynin farklı bölümleri farklı amaçlar için yapılandırılırken, evrenin en önemli özelliği neredeyse tüm yönlerde tekdüze olmasıdır. Ayrıca beyindeki nöronlar arasındaki bağlantılar duyusal bilgilerin iletilmesi içindir, evrendeki bağlantılar ise yalnızca enerji ve madde iletir.

Evren, daha büyük ölçeklerde ve daha küçük ölçeklerde tamamen farklı görünür. Galaksiler ve güneş sistemleri, oluşturdukları kozmik ağa benzemezler. Beyin de, farklı ölçeklerde gözlemlendiğinde sinir ağına benzemeyebiliyor. Dolayısıyla, kendilerini nasıl organize ettikleri açısından bu yapıların yaratılmasında ölçeğin kendisi önemli olabilir.


Çalışmanın cesaret verici sonuçları, araştırmacıları her iki alanda, yeni ve etkili analiz tekniklerinin, bu iki sistemin zamansal evriminin altında yatan yönlendirilmiş dinamiklerin daha iyi anlaşılmasını sağlayacağını düşündürüyor.


Vazza ve Feletti, araştırmalarının beyin ve evren arasında daha fazla benzerlik keşfetmek için daha güçlü algoritmaların geliştirilmesine ilham vereceğini umuyorlar.





KAYNAKÇA


Vazza F and Feletti A (2020) The Quantitative Comparison Between the Neuronal Network and the Cosmic Web. Front. Phys. 8:525731. doi: 10.3389/fphy.2020.525731


Bu iki görselden birisi insan beyni, diğeri evren! Arada ne fark var?


Does the human brain resemble the Universe? | EurekAlert! Science News


Human Brain Looks Just Like the Universe: See the Similarities (popularmechanics.com)


One of These Pictures Is the Brain, the Other is the Universe. Can You Tell Which is Which? - Universe Today

Similarities Between Complex Network of Brain and the Universe are Much Deeper than Ever Imagined (news18.com)

Study Maps The Odd Structural Similarities Between The Human Brain And The Universe (sciencealert.com)

The universe is like a giant human brain, scientists find | The Independent


GÖRSEL KAYNAKÇA


Vazza F and Feletti A (2020) The Quantitative Comparison Between the Neuronal Network and the Cosmic Web. Front. Phys. 8:525731. doi: 10.3389/fphy.2020.525731


GMS: Big Bang Animation--5k Resolution (nasa.gov)


How Your Brain Is Like the Cosmic Web (nautil.us)


One of These Pictures Is the Brain, the Other is the Universe. Can You Tell Which is Which? - Universe Today


Universe Inside Our Brain | Facebook




28 görüntüleme0 yorum

Son Paylaşımlar

Hepsini Gör