1952 yılında Alan Lloyd Hodgkin ve Andrew Huxley isimli iki bilim adamı mürekkepbalığının dev aksonunun elektriksel modelini çıkardılar[1]. Aksonlar, sinir hücrelerinin elektriksel olarak birbiriyle haberleşmek için kullandıkları, bir nevi “kablo” görevi gören uzun çıkıntılarıdır. Mürekkepbalığı, aksonu çok büyük olduğundan, o zamanlarda, üzerinde çalışmak için ideal bir canlı hayvan hücresi idi. Hodgin-Huxley modeli dediğimiz bu elektriksel model onlara 1963’ te bir Nobel ödülü kazandırdı[2].

1952 yılından bu yana çok vakit geçti. Artık elektriksel olarak aktif olan çok küçük hücrelerin bile modelleri çıkartılabiliyor. Model çıkarmanın yanında hücrelerin elektriksel aktivitelerini incelemek, sinir sistemi ile uğraşan bilim adamlarını 1950’ lerden beri ilgilendiriyor. Elektriksel olarak aktif olan hücrelerden en önemlileri sinir hücreleridir. Sinir hücreleri incelenen canlının cinsine, canlı içerisinde bulunduğu bölgeye, sorumlu oldukları işlere göre fevkalade bir çeşitlilik gösterir. Bir salyangozun sinir düğümlerinden (ganglion) çıkarılan sinir hücreleri, çapları 100 mikron kadar olan büyük yuvarlağımsı hücrelerdir. Bir memeli olan fare beyninde ise ortalama çapları 10 mikron olan yuvarlağımsı sinir hücreleri vardır.  Memelilerin kas lifleri de yine elektriksel olarak uyarılabilen uzun hücrelerdir. Canlının basitliğine göre, sinir hücrelerinin fonksiyonları ve çeşitlilikleri de değişir.

Sinir hücreleri tek başlarına iş görmezler, her hücre büyük bir ağın bir parçasıdır. Bu ağa biz “sinir sistemi” diyoruz. Sinir sistemi, evrimin bir sonucu olarak, her canlıda kendisine yetecek kadar karmaşıklaşmıştır. “Kerevit” denilen canlıda, örneğin, bir beyin bulunmaz. Onun sinir sistemi on bir tane sinir düğümünden oluşur. Her sinir düğümünde bir miktar sinir hücresi bulunur ve sinir düğümleri birbirine çeşitli sayıda aksonlardan oluşan kablolarla bağlıdır. Kerevitteki sinir hücrelerinin sayısı neredeyse elle sayılabilecek kadar azdır. İnsanda ise, örneğin, sadece beynimizde yaklaşık 100 milyar tane sinir hücresi bulunur. 

Şekil 1. Neuron-Transistor [6]

Sinir sisteminin elektriksel özelliklerini araştırmak için birçok metot bulunmaktadır. Bu metotları iki ana başlığa ayırabiliriz: “in-vivo” ve “in-vitro” metotlar. “In-vivo” çalışmalarda, yapılan

çalışma canlı hayvan üzerinde yapılır. Mesela, keskin iğnelerden oluşan bir elektrot dizisi bir hayvanın -ki en çok kullanılan hayvan maymundur- kafatasının altından beynine gömülür. Bu tür çalışmalarda hayvanın beynindeki çeşitli bölgelerden elektriksel ölçümler yapılır veya bazı bölgeler elektriksel sinyallerle uyarılır. Bir çalışmada [3] kedilerin beynindeki bir bölge elektriksel olarak uyarılınca kedilerin derin uykuya daldıkları gözlenmiştir. Başka bir enteresan çalışmada da [4], yine beyinlerinin bazı bölgelerine elektrotlar sokulan maymunlar, sadece düşünerek bir robotik kolu hareket ettirmeyi başarmışlardır.

“In-vitro” çalışmalar ise, bir miktar hücrenin veya bir parça dokunun hayvandan alınarak başka bir ortamda çalışıldığı çalışmalardır. Bu bir miktar sinir hücresi olabilir, bir hayvanın beyninden bir kesit olabilir, retina kesiti olabilir veya bunların dışında çeşitli hücreler veya dokular olabilir. Bu tür çalışmaların avantajı, küçük sayıda hücre ile çalışmak, bize o hücrelerin büyük bir sinir ağında nasıl çalıştıkları hakkında daha detaylı bilgi verebilir. Bu konuda yapılan en ilginç çalışmalar tek veya birkaç sinir hücresi ile elektriksel iletişim kurmakla oluşturulan çalışmalardır. Syed et.al. [5], bir salyangoz türü olan Lymnea Stagnalis’ ten elde edilen sinir hücreleri ile gerçek

anlamda “yapay” bir sinir ağı oluşturmayı başarmıştır. Fromherz et.al. [6], yaptıkları sayısız çalışmada Syed tarafından ortaya konulan metodu kullanarak, “neuron-transistor “ diye tabir ettiği silikon ile sinir hücresinin birleşiminden oluşan transistorü üretmiştir. Bu transistörler, kapılarında polisilikon içermezler. Sinir hücreleri direkt olarak kapı yerine kullanılırlar. Bu da sinyallerin gürültüden daha az etkilenmelerini sağlar. 

“Neuron-Transistor” küçük sayıdaki sinir hücrelerinin oluşturduğu ağlarla iletişim kurmanın bir yoludur. “Multi-Electrode Array” denilen, “Çoklu Elektrot Dizileri” diye çevirebileceğimiz cihazlar üzerinde de sinir hücre ağları üretilebilir. Bu dizilerde, cam üzerine depozit edilen metal elektrotlar mevcuttur. Ticari olarak bulunabildikleri için önceki metoda göre daha ucuza mal edilebilir. 

Şekil 2. MAE üzerinde kromafin hücreleri

Ben de North Carolina Devlet Üniversitesi’nde araştırmamın bir parçası olarak çoklu elektrot dizileri kullandım. Elektriksel olarak aktif hücreler olarak da, sinir hücreleri yerine, inekten elde edilen kromafin hücrelerini kullandım. Bu hücreler, adrenal medulla denilen bölgeden elde edilirler ve vücuda gerekli olan adrenalin ve nöro-adrenalin denilen nöro-transmitter’ ları yapan hücrelerdir. Kromafin hücreleri, hücre kültürüne yatırıldığında ve “nerve-growth factor” denilen biyolojik ajan eklendiğinde aynen sinir hücreleri gibi birbirlerine ağ kurmaktadırlar. Şekil 1’de yaptığım deneylerden birinde, elektrot dizisi üzerinde kromafin hücre ağı görülmektedir.  

Sinir hücrelerinden ve elektriksel olarak aktif olan daha başka bir sürü hücre ve dokudan öğrenebileceğimiz çok şey var. Ama hedeflerimizden birisi de bu hücrelerin özelliklerini kullanarak bir tür “yapay zekâ” veya bilgisayar yapmak olmalıdır. Yapay sinir ağları, gerçek sinir ağlarından modellenerek elde edilmiş bir bilim dalıdır. Eğer yapay sinir ağlarının bize öğrettiği şeyleri, kendi ürettiğimiz kontrollü gerçek sinir ağları ile yapmayı becerebilirsek, “biyolojik bilgisayar” için gerekli ilk adımları atmış oluruz.

Kaynaklar :