HBT Sayı 70, 28 Temmuz’da yayınlanan bir önceki yazımıza devam ediyoruz.
Nobelli kuantum fizikçisi Erwin Schrödinger 1944 yılında yazdığı Yaşam Nedir? (What’s Life) kitabında, canlıların kromozomlarında kalıtsal bir şifre, bir program, olması gerektiğini öne sürmüştü. On yıl sonra Crick ve Watson, genetik bilgiyi nükleotidlerinde kodlayan DNA’yı bularak onu haklı çıkardılar.
Günümüzde ise, söz konusu kodun (şifrenin) DNA ve RNA’daki 4 adet nükleotid’in (AGTC) 3’lü gruplaşmalarından oluştuğu ve organizmayı oluşturan proteinlerin üretimini yönettiği, uygar ülkelerin hemen tüm lise öğrencileri tarafından bilinmektedir. Bakterilerden dev ağaçlara, farelerden köpeklere ve insanlara, tüm canlıların DNA’larında aynı kodlar aynı biçimde çalışmaktadır (Evrim Kuramı’nın en önemli kanıtlarından biri de budur!).
Nöronlarımız birbirleri ile nasıl haberleşiyor?
Acaba sinir bilimi de (Neuroscience), bir gün, beynimizin çalışmasını açıklamamızı sağlayacak böyle bir temel şifre bulabilecek mi? Bu sorunun cevabını henüz bilemiyoruz ama sinir hücrelerimiz nöronların birbirleri ile nasıl haberleştikleri konusunda epey yol alındı.
Beynimizdeki 86 milyar nöronun her biri binlerce sinaps ve aksonu aracığı ile diğer nöronlara bağlı ve hepsi iletişimleri için aynı yöntemi kullanıyor: Genliği 0.1 volt (100 milivolt), süresi ise saniyenin binde biri (1 milisaniye) civarında olan elektrik darbeleri (spikes).
Nöronlar bu darbeleri art arda, seriler halinde, üretiyor ve iletiyorlar. Serideki darbelerin sıklığı (ne kadar çabuk tekrarlandığı) ise çok değişken.
Örneğin, gözümüzün arkasında bulunan ışığa hassas sinir ağına yani retinamıza gelen fotonlar, her biri ışığın çeşitli özelliklerine hassas olan 60 değişik türden sinir hücrelerimiz tarafından, yukarıda açıkladığımız elektrik darbelerine dönüştürülür ve yaklaşık 1 milyon akson (bir milyon iletkenli bir kablo!) ile beynimize iletilirler.
Retinadaki her nöron, beyne, ışığın ayrı bir özelliğine göre (şiddeti, değişimi, rengi, yönü..) değişen sıklıkta elektrik darbe dizileri gönderir. Böylece, toplamda, saniyede birkaç megabitlik bir veri aktarım hızına ulaşılır. Beynimiz bütününün nöron ağı ise, uyanık olduğumuzda, söz konusu darbelerin muazzam bir senfonisi gibidir ve toplam veri aktarım hızı saniyede bir milyar (1 gigabit/ s) bit’e ulaşmaktadır! Beynimizin şifresini çözmek de, büyük ölçüde, bu darbelerin ne anlama geldiğini anlamaktan geçmektedir.
Beynin şifresi farklı
Beynin şifresini DNA şifresinden ayıran en önemli güçlük, nöronlar arası iletişimi sağlayan darbe salvolarının (dizilerinin) kodlarının tek değil, pek çok faklı türden olmasıdır.
Nasıl ki, bilgisayardaki verileri, metin, ses, görüntü, video gibi türlerine göre farklı standartlar ve yöntemler ile (ASCII, MP3, MP4 ...) kodluyor isek, beynimiz de, görüntü, ses, koku, tad gibi girdileri alırken ve bunları işleyip kavramlara, deneyimlere, hareketlere dönüştürürken işlevsel olan nöronların darbelerinin şifreleri de birbirinden farklıdır. Beynimizde yaklaşık 1000 ayrı türden nöron bulunmakta ve her türün ayrı bir işlevi olduğu düşünülmektedir.
Kalabalıkların bilgeliği!
Duyularımızdan aldığımız ya da beynin kendi ürettiği enformasyonlar işlenirken pek çok nöron devreye girer. Örneğin tanıdık bir yüzü gördüğümüzde beynimizin görsel korteksinin üst tabakalarındaki binlerce nöron aktif hale gelir ve bunlardan he biri o yüzün ayrı bir özelliğine göre ateşlenir, yani darbe dizileri üretir. Yüzün şekli, rengi, gözlerin baktığı yön vs gibi.
Yüzün tanınması için gerekli son karar ise, söz konusu hücrelerin hepsinin çıkışlarının birlikte değerlendirilmesi ile alınır. Beynimizin bu hiyerarşik (tabaka tabaka) ve holistik (tüm enformasyonları birlikte değerlendirerek) bilgi işleme yöntemine, bireylerin bir araya gelerek karar almalarını hatırlattığı için, Kalabalıkların Bilgeliği (Wisdom of Crowds) nitelemesini yakıştırıyoruz.
Ortak çıktı (karar) bazen küçük bir nöron grubu hatta tek bir nöron tarafından verilebiliyor ve örneğin bir bireye meşhur bir artistin herhangi bir resmi gösterildiğinde hep aynı nöron ateşleniyor!
Deneysel kanıtlar
Hayvanlarda, özellikle makak maymunlarına, insanlarda ise bazı hastalara yapılan girişimler sırasında beyne yerleştirilen elektrodlar istenen bölgelere yönlendirilip, oradaki işlevler algılanabilir ya da kontrol edilebilir, yani nöronların ateşlenmesi, bir elektrik anahtarı çevriliyor gibi, durdurulup başlatılabilir.
Bu yöntem ile, uzuvları ortak kararları ile hareket ettiren motör nöronlar belirlenmiş ve felçli hastaların düşünce gücü ile yapay uzuvlarını hareket ettirmeleri sağlanmıştır. Ayrıca, beynimizin GPS’i, yani nerede olduğumuzu bilmemizi sağlayan nöron şebekeleri de 1970’lerde John O’Keefe ile 2014’de fizyoloji (Tıp) Nobel’ini alan Edward ve May-Britt Moser çiftinin çalışmaları ile belirlenmiştir.
Beynin haritasını çıkarmak için yapay zekâ devrede
Halen, nöronların birbirleriyle yaptıkları her bağlantıyı, araştırıcıların tek tek belirlemeleri gerekiyor. Bu da, tabii ki çok emek ve zaman gerektiriyor. İnsan beyninin devre şemasını yani haritasını (connectome) bu yolla çıkarmak ise neredeyse yüz yıl gerektireceğe benziyor! Günümüze kadar bu işi bilgisayarlara yaptırmanın bir yolu bulunamamıştı ama Almanya'daki ünlü Max Planck enstitüsünün yapay zeka uygulamaları durumu değiştireceğe benziyor.
Enstitüdeki araştırıcılar, önce beynin yüksek çözünürlüklü ve üç boyutlu elektron mikroskobu görüntülerini oluşturdular ve bunları tam 91 adet elektron ışını ile eşzamanlı olarak tarayarak veri alımını 50 kat hızlandırdılar. Ardından, elde edilen görüntülerden hareketle, derin öğrenim sistemli bir yapay nöron ağını, bağlantıları tanımak için eğittiler. SyConn Ağı adı verilen bu sistem halen sinaptik bağlantıları büyük bir doğrulukla tanıyor ve araştırmaların hızını büyük ölçüde arttıracağa benziyor.
Bütün bu araştırmalar ve gelişmelere rağmen, beynimizin çalışmasını anlamakta ve şifrelerini çözmekte henüz yolun başında olduğumuz kesin. Ama artık, bu konudaki her yeni buluşumuz, en önemli yardımcımız olmaya başlayan yapay zekanın da gelişimine yeni bir ivme katarak bir pozitif geri besleme yapıyor, yani sinirbilimin gelişme hızını da üstel olarak artırıyor. Bakalım nereye kadar...
Erdal Musoğlu / [email protected]
Kaynaklar:
https://www.technologyreview.com/s/528131/cracking-the-brains
http://www.neuro.mpg.de/3398235/news_upublication_11078775
Bu yazı HBT'nin 74. sayısında yayınlanmıştır.