Nesiller boyunca mühendislerin, bilim insanlarının ve bilim-kurgu yazarlarının hayalleri olan zihin gücüyle kontrol edilebilen sistemler, artık gerçekleşme yolunda ilerlemektedir. Beyin Bilgisayar Arayüzü (BBA) adlı, sinirbilim, robotik, yapay zeka gibi birçok alanı içine alan çok disiplinli saha henüz ilk aşamalarını yaşıyor olsa da, hedeflerine emin adımlarla yaklaşmakta.
Bu sistemler henüz geliş(tiril)me aşamasındaki sistemler olup, ülkemiz üniversiteleri de dahil olmak üzere dünyada yüzlerce okul veya araştırma kurumu tarafından çeşitli düzeylerde incelenen hayli popüler bir araştırma sahasıdır.
Sinir sistemi hücreleri olan nöronlar, dendrit adlı uzantıları vasıtasıyla diğer nöronlardan sinyal kabul eder ve nöron bu sinyal bilgisini işleme alır. Çeşitli kaynaklardan gelen ve zıt özellikte olabilen sinyallerin nöron hücresinde gördükleri işlemlerin sonucuna göre, nöron uyarılabilir veya sükûnet haline geçebilir.
Nöronun aksonu vasıtasıyla bu reaksiyon, birbirine bağlı nöronlara veya hedef organa (kas, salgı bezi vb) iletilir. Nöronlar, akson ve dendritler aracılığıyla karmaşık oluşumlar ve bunlardan oluşan birimler oluştururlar. Sinir sistemi, omurilikten beyin zarına kadar uzanan, birbirine bağlı ve hiyerarşik olarak sıralanan birimlerden oluşur.
Bir beyin-bilgisayar arayüzü (BBA), kimi zaman nöral-kontrol arayüzü (NKA), kimi zaman akıl-makine arayüzü (AMA), bazen de doğrudan nöral arayüz (DNA) olarak, beyin ile bir harici cihazın kablolu bağlantıyla ilişkide olduğu bir cihaz olarak adlandırılır. BBA, iki yönlü bilgi akışına izin verdiği için nöromodülasyondan farklıdır. BBA aygıtları çoğunlukla, insanın bilişsel veya motor/duyusal işlevlerini düzeltmeye, haritalama veya araştırılmasına, kuvvetlendirmeye yahut onarılmasına yönelik işlevler gerçekleştirir.
Bu konuya olan ilginin ilk örneği, 1960lı yıllarda, işitme kaybı olan hastalarda işitme sinirini uyarmayı amaçlayan kohlea implantıdır. “Kohlea elektrot implantı” aracılığıyla iç kulak sinirini uyarmak suretiyle, işitme kaybı bulunan hastaların işitmelerini sağlamak mümkün olunca, kas felçleri ve periferik sinir felçlerinde de tedavi yolu açılmış oldu. Tartışmalar, kohlea ve beyin için özel implantlar, kalbe yardımcı hatta kalbin yerini alabilecek aygıtlara kadar geldi.
Beyin-Makina Arayüzü (BMA) alanındaki çalışmalar Prof. Fetz tarafından 1969 yılında başlatıldı. Prof. Fetz, maymunların beynindeki motor korteks alanına elektrot yerleştirerek maymunların beynindeki aktiviteleri inceledi. BMA, beyin ile bir makina arasında doğrudan bir iletişim sağlıyordu. Deneyin prensibi, maymunlara bu sinyalleri gördükleri ve duydukları zaman tepki göstermelerini öğretmekti.
Bunun için kendi zihinsel aktivitelerinin bir nevi geri beslemesi anlamına gelen, bu sinyalleri algılayan maymuna bir ödül veriliyordu. Çok kısa bir sürede maymunlar kasten belli nöronlarını aktive etmeyi ve bu sayede olabildiğince çok ödül kazanmayı öğrenmişlerdi. Fetz’in deneyi, beynimize, vücudumuz dışındaki bir harici cihazı kontrol etmeyi öğretebileceğimizi gösteriyordu.
Böylece duyma, görme ve hareket gibi duyuları onarmak üzere nöroprotez uygulamaları geliştirebileceğimiz anlaşıldı. 80’li yıllarda beynin hasarlanmış veya eksik bölgelerinin yerine kullanılmak üzere yapay cihazların sinirsel protez (neuroprosthetics) biliminin ilk tıpta uygulanabilir ilk örnekleri üzerinde çalışılmaya başlandı.
Derin Beyin Stimülasyonu
BBA araştırma ve geliştirme alanı, öncelikle hasar görmüş işitme, görme ve hareket düzeltme amacıyla nöroprotez uygulamalarına odaklandı. 1990larda kafatasına uygulanan implantlar aracılığıyla nöronlara elektrik uyarımları sağlayan “kranyal peysmeykır” (cranial pacemaker - beyin pili, irkilteç) ile Derin Beyin Stimülasyonu (DBS) (uyarımı) gerçekleşti.
Sonraki araştırmalarla protezin beyne de implante edilebileceği bildirildi. Yıllar süren hayvan deneylerinden sonra, insanlarda implante edilen ilk nöroprotez aygıtlar, 1990’ların ikinci yarısında ortaya çıktı. Epilepsi ve epilepsi benzeri beyin elektriksel aktivitesinin bozulması nedeniyle oluşan hastalıkların tedavisi için umut ışığı belirdi. Tedavisi imkansız olan bu hastalıklar, bir organ veya beyine implante edilen elektrot uçlarına, uygun yer(ler)e yerleştirilmiş mini pillerden mini kablolarla elektrik akımı verilmesiyle tedavisi mümkün hale geldi.
İşitme kaybı olan hastalar için geliştirilen kohlea implantının bir benzeri, görmeyen hastalar için, sinir implant arayüzü olarak düşünülerek araştırılıp geliştirildi: retina (gözün içindeki görme gömleği) çipi ve bunun uzantısında beyin zarında görme bölgesine beyin çipi uygulaması. Ancak, görsel bilginin beyin tarafından işlenmesi, ses bilgisinden çok daha karmaşıktır, bu nedenle, görme protezi henüz deneysel aşamada.
Neural Dust (Sinirsel Toz)
Mühendislik alanındaki gelişmeler, kullanılan mini elektrotların gittikçe daha küçülmüş biçimlerde üretimini sağladı ve “zerre (mote)” adı verilen mini parçacıklara dönüştü. Kablolarla sağlanan elektrik, “toz” büyüklüğünde, piezoelektrik kristal ile kombine edilen elektronik parçacıkların kendilerinden sağlanır oldu. Şimdi, bilim insanları, bu mini parçacık aygıtları uzaktan kumanda ile yönetme aşamasına geldi.
Bir pirinç tanesinden daha küçük boyutlarda olan kablosuz, kendinden enerjili implantlar beyin hücrelerini tarayıp uyarabilme potansiyeline sahipler. Bundan sonraki kuşak Beyin-Bilgisayar/Makine Arayüzü aygıtları olacak protez, dış iskelet (exosceleton - böceğin sert dış kabuğu) ve robotlar, diğer adlarıyla “elektrosötik”ler (farmasötik kelimesinden mülhem) beyin ve vücut hastalıklarının tedavisinde kullanılacak. Özellikle beyin uyarımıyla hafifletilebilen rahatsızlıklarda bu mini aygıtların kullanımı önemli açılımlara vesile olacak.
Nitekim, Hollanda, Utrecht Üniversitesi Tıp Merkezinde, bir Amiyotrofik Lateral Skleroz (ALS) (Ünlü fizikçi Stephen Hawking’in de maruz kaldığı hastalık) hastasının, sadece düşünce yoluyla iletişim kurabilmesi sağlandı. Hastaya kafatasında açılan küçük deliklerden girilerek beyin elektrotları yerleştirildi. Köprücük kemiği altına yerleştirilen küçük bir ileticiden elektrotlara, cilt altından geçirilerek bağlanan ince kablolarla uyarılar beyne yollandı. Beyinden alınan sinyaller kablolarla ileticiye geldi, sinyaller amplifiye edildi ve bilgisayara kablosuz yoldan ulaştırıldı. Hasta, sesiyle kontrol ederek zihninde parmağını oynattı. Bu beyin aktivitesi elektrotlar tarafından algılandı, hareket bilgisayar faresinde “seçim”e dönüştürüldü.
Bu sistemler, motor fonksiyonlarını yerine getiremeyen ALS veya Tetrapleji (her iki kol ve her iki bacağı felçli hasta) hastaları gibi kişilerde rehabilitasyon amaçlı kullanılırken, diğer insanlar için bilgisayarlarını ya da herhangi bir elektronik kontrol sistemini kullanmalarını sağlayabilir.
Bu, olabilecek en minik boyuttaki “neural dust (sinirsel toz)”, sadece sinirsel aktiviteyi kaydetmekle kalmıyor; ayrıca, sıçan gibi hayvan modellerine implante edildiğinde kablosuz olarak veri aktarımı da yapabiliyor. Bir grup araştırmacı, sıçan nöronlarından veri toplama ve bu veriyi beyinsel toz kullanarak aktarma üzerinde yoğunlaştılar. Sıçanın siyatik siniri üzerine bu teknolojiyi kullanıp, ultrasonik sinyaller göndererek, elektronörografik ve elektromiyografik kayıtlar almayı başardılar. Haftaya insan performansı araştırmaları ile devam edeceğiz.
Prof. Dr. Kadircan Keskinbora
Bahçeşehir Üniversitesi Tıp Fakültesi
Kaynaklar
1- Perlmutter JS, Mink JW (2006) Deep brain stimulation. Annu Rev Neurosci 29:229–257.
2- Hanlon M (2016) Brain implant enables paralyzed woman to communicate by thought. http://newatlas.com/utrecht-mind-machineinterface/ 46475/
3- Ramirez S, Liu X, Lin PA, Suh J, Pignatelli M, Redondo RL, et. al. (2013) Creating a false memory in the hippocampus. Science 341(6144):387–391.
4- Seo D, Carmena JM, Rabaey JM, Alon E, Maharbiz MM (2013) Neural dust: an ultrasonic, low power solution for chronic brain-machine interfaces. http://arxiv.org/pdf/1307.2196v1.pdf.
Keskinbora KH, Keskinbora K (2018) Ethical considerations on novel neuronal interfaces. Neurological Sciences 39:607–613.
Argunşah AO. Beyinden bilgisayara bir yol: Beyin bilgisayar arayüzü. www.emo.org.tr/ekler/a130f1dc6f0c829_ek.pdf?dergi=429
Fetz EE. Operant conditioning of cortical unit activity. Science. 1969 Feb 28;163(3870):955-8.
Bu yazı HBT'nin 184. sayısında yayınlanmıştır.