Gero Miesenboeck beyni yeniden şekillendiriyor

Benim bir ikizim var. (Gülüşmeler) Dr. Gero, Dragonball Z "Android Öyküsü"nde zeki fakat biraz çılgın bir bilim insanıdır. Dikkatle bakarsanız, beyninin çalışmasını gözlemlemek ve onu ışıkla kontrol etmek için kafatasının pleksiglas bir kubbeyle değiştirildiğini görürsünüz. İşte bu tam da benim yaptığım şey - optik zihin kontrolü.

(Gülüşmeler)

Fakat dünyaya hükmetmeyi arzulayan kötü ikizime karşın, benim amacım fesatlık değil. Ben beynin nasıl çalıştığını anlamak için kontrol ediyorum. Şimdi diyebilirsiniz ki, bir dur bakalım beyni anlamadan hemen nasıl kontrol etmeye kalkışırsın ? Bu, faytonu atın önüne koymak gibi olmuyor mu ? Pek çok sinirbilimci bu görüşe katılıyor ve anlamanın daha detaylı gözlem ve analizden geleceğini düşünüyor. Diyorlar ki, "Eğer tüm sinir hücrelerimizin faaliyetlerini kaydedebilirsek, beyni anlayabiliriz." Fakat bunun ne anlama geldiğini bir an için düşünün. Her bir hücrenin ne yaptığını ölçebilsek bile, kaydedilmiş faaliyet şekillerini anlamlı hale çevirmek zorundayız ki, bu da çok zor, bir ihtimal bu şekilleri, onları oluşturan beyinler kadar az anlayacağız.

Beyin faaliyetinin nasıl göründüğüne bir bakın. Bu simülasyonda, her siyah nokta bir sinir hücresi. Her bir hücre bir elektriksel impuls ürettiğinde, nokta şeklinde görünüyor. Burada 10.000 sinir hücresi var. Yani, bir hamamböceğinin beyninin kabaca yüzde birlik kısmına bakıyorsunuz. Sizin beyinleriniz 100 milyon kat daha karmaşık. Bir yerlerde, böyle bir şekilde, siz, sizin algılarınız, duygularınız, hatıralarınız, gelecekteki planlarınız var. Fakat nerede olduğunu bilmiyoruz, çünkü bu şekli nasıl okuyacağımızı bilmiyoruz. Beynin kullandığı şifreyi anlamıyoruz. İlerleme kaydetmek için, bu şifreyi kırmamız gerek. Fakat nasıl ? Deneyimli bir şifre kırıcı size diyecektir ki, bir şifredeki sembolleri anlamak için onlarla oynayabilmek ve onları bilinçli bir şekilde yeniden düzenlemek gerekir. Yani bu durumda da, böyle bir şekildeki bilgiyi çözmek için, sadece izlemek yeterli değil; bu şekli yeniden düzenlememiz gerekiyor. Başka bir deyişle, sinir hücrelerinin faaliyetini kaydetmek yerine, onu kontrol etmemiz gerekiyor. Beyindeki tüm sinir hücrelerinin faaliyetini kontrol etmemiz zorunlu değil, sadece birkaçı. Müdahalemiz ne kadar hedefe yönelik olursa, o kadar iyi. Ve birazdan size, gerekli keskinliği nasıl başarabileceğimizi göstereceğim.

Ve tantana yapmak yerine gerçekçi olduğum için, sinir sisteminin işlevini kontrol etme olanağının, tüm gizemi çözeceğini iddia etmiyorum. Fakat kesinlikle çok şey öğreneceğiz. Ben hiç bir şekilde, müdahalenin ne kadar güçlü bir araç olduğunu farkeden ilk insan değilim. Sinir sisteminin işleviyle oynamak için yapılan girişimlerin geçmişi uzun ve meşhurdur. En azından 200 seneye, Galvani'nin 18. yüzyıl sonlarındaki ünlü deneylerine ve daha ötesine kadar gider. Galvani, bir kurbağanın belindeki siniri bir elektrik akım kaynağına bağladığında bacağının seğirdiğini gösterdi. Bu deney, sinirsel şifrenin ilk ve muhtemelen en temel parçasını ortaya koydu : bilgi elektriksel impulslar halinde yazılıyor. Galvani'nin sinir sistemini elektrotlarla araştırma yaklaşımı, pek çok engele rağmen günümüze kadar son teknoloji olarak kaldı. Beyne kablolar yerleştirmek açıkçası biraz ilkel. Bunu etrafta dolanan hayvanlarda uygulamak zor, ve aynı anda yerleştirilebilecek kabloların sayısı için fiziksel bir sınır mevcut.

Böylece son yüzyılın bu mantığı alıp, baş aşağı etmek mükemmel olmaz mıydı, diye düşünmeye başladım. Yani beyindeki bir noktaya bir kablo yerleştirmek yerine, beynin kendisini yeniden yapılandırırız, böylece sinirsel unsurlarından bazıları yayılan sinyallere - mesela ani bir ışık gibi - duyarlı hale gelir. Böyle bir yaklaşım kelimenin tam anlamıyla, "bir ışık gibi" keşfin önündeki engellerin üstesinden gelecektir. Öncelikle, şüphesiz ki bu zararsız bir kablosuz iletişim şeklidir. İkincisi, tıpkı bir radyo yayınında olduğu gibi, pek çok alıcı ile aynı anda iletişim kurabilirsiniz. Bu alıcıların nerede olduklarını bilmenize gerek yok. Ve -arabanızdaki teybi düşünürseniz- bu alıcıların hareket halinde olması da önemli değil. Hatta bu alıcıları DNA'da şifrelenmiş malzemelerden üretebilirsek, çok daha iyi olur. Böylece doğru genetik değişikliğe uğramış her sinir hücresi işlevini kontrol edebileceğimiz bir alıcıyı kendiliğinden üretecek. Umarım bu kavramın mükemmel basitliğini takdir edersiniz. Burada yüksek teknoloji ürünü aletler yok, sadece biyolojiyle açığa çıkarılan biyoloji var.

Şimdi bu mucizevi alıcılara yakından bir bakalım. Şu mor sinirlere yakınlaştıkça dış zarlarının mikroskopik porlarla kaplı olduğunu görüyoruz. Bunun gibi porlar elektrik akımı iletirler ve sinir sisteminde tüm iletişimden sorumludurlar. Fakat buradaki porlar özel. Gözlerinizdekilere benzer şekilde ışık alıcılarıyla bağlantılı haldeler. Işığın alıcıya her çarpışında, por açılır, elektrik akımı oluşur ve sinir elektriksel impulslar saçar. Işıkla etkinleşen por DNA'da şifrelendiği için, olağanüstü bir hassasiyete ulaşabiliyoruz. Çünkü vücudumuzdaki her hücrenin aynı gen dizisine sahip olmasına rağmen, farklı hücrelerde farklı gen karışımları açılır veya kapanır. Bundan sadece bazı sinirlerin bizim ışıkla etkin hale geçen porlarımıza sahip olmasını sağlayarak faydalanabiliriz. Mesela bu animasyonda, üst sağ köşedeki mavimsi beyaz hücre ışığa tepki göstermiyor çünkü ışıkla etkinleşen pora sahip değil. Bu yaklaşım o kadar iyi işliyor ki beyne direkt olarak tamamen yapay mesajlar yazabiliyoruz. Bu örnekte, her elektriksel impuls, izlerdeki her sapma, kısa süreli bir ışık çarpması sonucu oluşuyor. Bu yaklaşım aynı zamanda hareket eden, davranış gösteren hayvanlarda da işliyor.

Bu türünün ilk deneyi, tıpkı Galvani deneyinin optik eşdeğeri gibi. O zamanki lisansüstü öğrencim Susana Lima tarafından altı-yedi yıl önce yapıldı. Susana soldaki meyve sineğini yapılandırdı, böylece beynindeki 200.000 hücreden sadece ikisi bu ışıkla etkinleşen poru sentezledi. Bu hücreleri aslında tanıyorsunuz, çünkü sineğe vurmaya çalıştığınızda sizi yıldıranlar onlar. Sineğin havaya sıçramasını ve eliniz uygun konumdayken uçmasını sağlayan kaçış refleksini mümkün kılarlar. Buradan da görebildiğiniz gibi ani ışık tam olarak aynı etkiyi yaratıyor. Hayvan zıplıyor, kanatlarını açıyor, onları titreştiriyor, ama havalanamıyor çünkü iki cam levha arasında kısılmış durumda. Şimdi bunun görebildiği ani ışığa tepki olmadığından emin olmak için Susana basit ama vahşice etkin bir deney yapıyor. Sineklerin başlarını kesiyor. Bu başsız vücutlar bir gün kadar yaşayabiliyor, fakat fazla birşey yapmıyorlar. Sadece öyle durup lüzumsuz yere kendilerine çeki düzen veriyorlar. Görünüşe göre kafasının ayrılmasından geriye kalan tek şey gösteriş. (Gülüşmeler) Her neyse, birazdan göreceğiniz gibi Susana bu sineklerin omuriliklerindeki uçuş motoruna eşdeğer kısmı uyarıyor ve birkaç kafasız vücudun gerçekten havalanıp uçmasını sağlıyor. Fazla uzağa gidemiyorlar, doğal olarak. Bu ilk adımları attığımızdan beri optogenetik alanı patlama yaptı. Şu anda yüzlerce laboratuvar bu yaklaşımları kullanıyor.

Ve Galvani ile Susana'nın ilk başarılarından bu yana hayvanları seğirtip sıçratmakta epey yol aldık. Artık oldukça derin yollarla gerçekten psikolojilerine müdahale edebiliyoruz, tanıdık bir soruya yönelik son örneğimde de göstereceğim gibi. Yaşam bir kararlar dizisidir, sırada ne yapmamız gerektiğine karar vermemiz için sürekli baskı uygular. Beyinlerimizle bu baskının üstesinden geliriz ve beyinlerimizde, karar verme merkezleri var ki ben onlara "Oyuncu" diyorum. Oyuncu çevrenin durumunu ve bizim çalıştığımız şartları göz önünde bulunduran bir tedbir uyguluyor. Eylemlerimiz çevreyi, veya şartları değiştiriyor ve bu değişiklikler sonradan karar döngüsüne katılıyor.

Şimdi soyut modelimize nörobiyolojik bir tat katmak için gözde deneğimiz olan meyve sineklerine basit tek boyutlu bir dünya oluşturuyoruz. Bu iki dikey raftaki her odacıkta bir sinek var. Odanın sol ve sağ yarısı iki farklı kokuyla dolu ve sinekler ikisi arasında gidip gelirken bir kamera onları izliyor. İşte bu kamera çekimlerinin bir kısmı. Bir sinek iki koku akımının kesiştiği odanın orta noktasına geldiği zaman bir karar vermek zorunda. Geri dönüp aynı kokuda kalmak, veya orta hattı geçip yeni birşey denemek için karar vermeli. Bu kararlar apaçık Oyuncu'nun hareket biçimininin bir yansıması. Şimdi bizim sineğimiz gibi akıllı bir canlı için bu hareket biçimi kayaya yazılmış değil de, hayvanın deneyimden öğrendiği değişikliklerdir. Modelimize sinek beyninde sadece Oyuncu değil aynı zamanda Oyuncu'nun seçimlerine yorumda bulunan farklı bir grup hücrenin, bir Eleştirmen'in varolduğunu farzedererek bu gibi adaptif bir zeka unsurunu modelimize ekleyebiliriz. Sürekli dırdır eden bir iç sesin beyindeki karşılığı olarak düşünebilirsiniz bunu; mesela Katolik Kilisesi eğer benim gibi bir Avusturyalı iseniz, veya üst benlik, eğer Freudyen iseniz, veya anneniz, eğer Yahudi iseniz.

(Gülüşmeler)

Şimdi açık olarak, eleştirmen bizi akıllı kılan anahtar bir bileşen. Bu yüzden sineğin beynindeki Eleştirmen rolünü oynayan hücreleri belirlemek için yola çıktık. Ve deneyimizin mantığı çok basitti. Düşündük ki eğer optik uzaktan kumandamızı Eleştirmen'in hücrelerini etkinleşirmek için kullanabiliyorsak, yapay olarak Oyuncu'yu da davranış biçimini değiştirmeye zorlayabilmemiz lazım. Başka bir deyişle, sinek yaptığını düşündüğü ama gerçekte yapmadığı hatalarından ders almalı. Böylece beyinleri az çok rastgele ışık gönderilebilen hücreler serpiştirilmiş sinekler yetiştirdik. Ve sonra bu sinekleri alıp onların seçim yapmalarını sağladık. Ve ne zaman iki seçenekten birini tercih etseler, bir kokuyu tercih etseler, bu durumda mavi olanı turuncu olana; o zaman ışıkları açtık. Eğer eleştirmen optik olarak etkinleşen hücreler arasındaysa, bu müdahalenin sonucu davranış biçiminde bir değişim olmalı. Sinek optik olarak pekiştirilmiş kokudan sakınmayı öğrenmeli.

Şimdi iki durumda ne olduğunu görelim. İki farklı sinek soyunu karşılaştırıyoruz; her birinin beyninde yaklaşık 100 tane ışık gönderilebilen hücre var ve solda ve sağda yeşil renkte gösteriliyor. Bu hücre gruplarının arasındaki ortak şey ise, ürettikleri dopamin nörotransmitter maddesi. Ama her bir dopamin üreten sinirlerin kimliği açık şekilde solda ve sağda büyük farklılık gösteriyor. İki sinek soyundaki yüz kadar hücrenin optik olarak etkinleştirilmesi çarpıcı şekilde farklı sonuçlara yol açıyor. İlk olarak sağdaki sineğin davranışına bakacak olursanız, odanın iki kokunun kesiştiği orta noktasına yaklaştığı anda önceden yaptığı gibi dümdüz ilerliyor. Davranışı aynen eskisi gibi. Fakat soldaki sineğin davranışı çok farklı. Orta noktaya geldiği anda, duraksıyor, koku durumunu dikkatlice tarıyor, aynen çevresini koklarmış gibi, ve sonra geri dönüyor. Bu demek oluyor ki Oyuncu'nun uyguladığı davranış biçimi odanın sağ yarısındaki kokudan kaçınmayı sağlayan bir yönerge içeriyor. Bu da demek oluyor ki Eleştirmen hayvana sesini duyurmuş; ve Eleştirmen solda dopamin üreten hücrelerin arasında yer alırken, sağda dopamin üreten hücrelerde yer almıyormuş.

Bu tip pek çok deneyin sonucunda Eleştirmenin kimliğini sadece 12 hücreye indirmeyi başardık. Bu 12 hücre, burada yeşil renkte gösterildiği gibi uyarılarını, gri renkte gösterilen ve Mantar Cisimciği adı verilen bir beyin bölgesine gönderiyor. Önceki modelimizden de biliyoruz ki Eleştirmen'in yorumlarını alan kısımdaki beyin bölgesi Oyuncu'dur. Yani bu anatomi mantar cisimciklerinin eylem seçimiyle alakalı olduğunu öne sürüyor. Mantar cisimcikleriyle ilgili bildiğimiz herşeye dayanarak, bu çok anlamlı geliyor. Hatta o kadar çok anlamlı geliyor ki, sineğin davranışlarınının benzerini yapan elektronik bir oyuncak devresi kurabiliriz. Bu elektronik oyuncak devresinde, mantar cisimciğinin sinirleri levhanın ortasında dikey sıralanmış mavi LED lambalarıyla sembolize ediliyor. Bu LED'ler havadaki koku moleküllerinin varlığını algılayan sensörlere bağlı. Her koku farklı bir sensör kombinasyonunu etkinleştiriyor, ki bu da mantar cisimciğindeki farklı bir koku algılayıcısını etkinleştiriyor. Böylece sineğin kokpitindeki pilotumuz, yani Oyuncu, mavi LED'lerden hangisinin yandığına bakarak hangi kokunun mevcut olduğunu anlayabiliyor.

Bu bilgiyle Oyuncu'nun ne yapacağı, onun davranış biçimine bağlı, ki bu da koku algılayıcıları ve sineğin kaçamak eylemlerini çalıştıran motorların arasındaki bağlantı bölgelerinde depolanmıştır. Eğer bağlantı zayıfsa, motorlar kapalı kalacak ve sinek doğrultusu yönünde devam edecek. Eğer bağlantı güçlüyse, motorlar çalışacak ve sinek dönmeye başlayacak. Şimdi motorların kapalı kaldığı sineğin yoluna devam ettiği ve öldürülmek gibi acı sonuçlara katlandığı bir durum düşünün. Böyle bir durumda Eleştirmen'in dile gelmesini ve Oyuncu'nun davranışını değiştirmesini emretmesini bekleriz. Böyle bir durumu, eleştirmeni ani ışıkla uyararak yapay bir şekilde oluşturduk. Bu da şu andaki koku algılayıcısı ile motorlar arasındaki bağlantıların güçlenmesine sebep oldu. Böylece sinek bir daha aynı kokuyla karşılaşırsa, bağlantı motorları açmak ve bir kaçış manevrası tetiklemek için yeterli derecede güçlü.

Sizi bilmem ama, ben anlaşılmaz psikolojik kanıların uçup giderek yerine aklın fiziksel, mekanikçi anlayışının gelmesini görmeyi çok canlandırıcı buluyorum, her ne kadar bu sineğin aklı olsa bile. Bu iyi haberlerin bir kısmı. İyi haberlerin diğer kısmı ise, en azından bir bilim insanı için, keşfedilmeyi bekleyen daha çok şey var. Size anlattığım deneylerde Eleştirmen'in kimliğini ortaya koyduk fakat Eleştirmen'in işini nasıl yaptığı hakkında bir fikrimiz yok. Bir düşünün; bir öğretmeniniz olmadan, veya anneniz size söylemiyorken hatalı olduğunuzu bilmek çok zor bir sorun. Bilgisayar biliminde ve yapay zekada bunun nasıl yapılabileceği hakkında bazı fikirler mevcut; fakat canlı maddelerde bilinçli davranışın fiziksel etkileşimlerden nasıl doğduğununun tek bir örneğini bile hala çözemedik. Bence oraya da çok uzak olmayan bir gelecekte ulaşacağız.

Teşekkür ederim.

(Alkışlar)