Elektronik parçaları olan, yaşayan hücrelerin bağlantısı için bir prototip.
Sinirsel Chip'ler
Beyinden Chip'e
Bilim kurgu yazarları için iyi bir malzeme: Bilgisayarı yöneten beyin hücreleri veya vücuttaki fonksiyonları devralan implant chipler. Bilim adamları bunlar üzerinde çalışıyorlar.
Deney faresi, beyaz önlüğü içindeki bilim adamını gö­rünce acaba ne düşünür? Bunu bilemiyoruz. Fare beyni bir bilgisayara entegre edildiğinde de bunu bü­yük ihtimalle bilemeyeceğiz. Ancak gerçek olan şu ki, kü­çük, akıllı kemirgenlerin gri hücreleriyle donatılmış bilgisa­yarlar, günün birinde, bugün bildiğimiz silisyum bilgisayar­lara göre çok daha fazlasını becerebilecekler. Zira bilgisaya­rın işlem gücü ne kadar yüksek olursa olsun, bir canlının düşünce sistemi karşısında ümitsiz bir şekilde çok ezik kah-
yor. Bilgisayarlar mesela araba süremezler. Otomobil için­deki bir araç bilgisayarı, çok acemi bir sürücünün bile ya­pabileceklerin yapamazken, en azından günümüzde bile tüm teknolojik olanakların gerisinde kalıyor. İnsan, karşısı­na çıkan durumlara bağlı olarak davranabilir ve olayları çö­zümleyebilirken, bilgisayarın, kendisini geliştirenlerin çar­pıcı ifadesiyle, bu tip yetenekleri eksik. Kısaca, "bilgisayar, bir insan gibi düşünemez ki!"
Bilim adamlarının vizyonları dikkat çekici bir biçimde daha da cesaretleniyor ve daha önce bilim kurgu yazarları­nın hayallerindeki bazı şeyleri artık gerçekten de gerçekleş­tirmek istiyorlar. Fizikçiler, bilgisayarı bir hayvan beyninin parçalarıyla bağlamayı düşünüyorlar. Mesela bir fareye ait olabilecek, bağlantılandırılmış gri hücrelere, çözülmesi ge­reken bir görev veriliyor. Bu düşüncenin sonucunu daha sonra bilgisayar veriyor. Bu planın cazip tarafı şu: Beynin yetenekleri, bilim adamlarının beynin çalışma şeklini ve sır-
CHIP AĞUSTOS 2002
larını tam olarak anlamalarına gerek kalmaksızın, ele geçi­rilebilir ve kullanılabilir. Beyin burada bir kara kutu gibi gi­rişleri ve çıkışları olan, elektronik parçalar sayesinde işini gören bir parça olarak düşünülüyor. Bunun gerçekleşebil-mesinin önkoşulu ise hücre ve chip'in elektrik sinyallerini birbirleriyle değiş tokuş edebilmesi. Elektronik ve biyolojik sistem arasındaki iletişim problemsiz bir şekilde işlemeli.
Bu aynı zamanda bilimin başka bir hayali projesi için de geçerli: Protez ve implantların doğrudan beyinden yöneti-lebilmesi. Bilim adamları bu sayede görme özürlülerin ağ-tabaka implantlarıyla yeniden görebilmelerinde yardımcı olmak istiyorlar. Burada aradaki bağlantı, optik sinyalleri alan ve sinir hatlarıyla beyne ileten bir chip üzerinden ger­çekleşebilir. Buraya kadar sadece ışık çakmalarının algılan­masının değil, hastanın gerçekten de bir çevreyi yansıtan görüntüler görebilmesi için, çok fazla temel buluşun yapıl­ması gerekiyor. Bundan çok daha zor olan girişim ise yapay el ve ayakların, sinirler üzerinden beyinden kontrol edile­bilmek istenmesi. Bu kadar komplike, üç boyutlu sistemler­le çalışabilmek, ancak uzak bir gelecekte (o da mümkün olursa) mümkün görünüyor.
Profesör Peter Fromherz, vizyonlardan bilimin günlük çalışmalarının yoluna dönerek "Bu halen bir bilim kurgu" diye dostça bir söylemde de bulunuyor. Münih -Martinri-ed'deki biyokimya için Max Planck enstitüsünün (MPI) membran ve nörofızik bölüm müdürü olan Fromherz, ya­şayan hücrelerin elektronik parçalarla bağlantılandınlma-sında bir öncü konumunda. 17 yıldan beri sülüklerden, sü­müklüböceklerden ve farelerden aldığı sinir hücrelerini elektronik bağlantılarla birleştiriyor. İşe önce Ulm Üniver-sitesi'nde başlamış. 1994'den beri Martinsried'deki MPI'da işine devam ediyor.
Hücreler mikrochip'ler üzerinde gelişiyor
Bu alandaki araştırma çalışmalarının ne kadar uzun sürdü­ğünü ve ileriye doğru atılan küçük adımların bile ne kadar zor olduğunu Fromherz'den başka kimse bu kadar iyi bile­meyeceği için, iyimser beklentileri yatıştırmak da onun için artık bir alışkanlık haline gelmiş: "Her zaman sadece ger­çekleştirilmesi mümkün olan adımları atmalı, bir seferde çok fazla şey istenmemeli"
Kısa bir zaman önce o ve 30 kişilik takımı, oldukça başarılı sonuçlar almışlar ve bu kilit başarılar, Fromherz'in pek de uzun sayılmayacak bir süre önce bunlar hakkında konuşmaya bile cesaret edemediği daha fazla şeyin başarıla­bilir düzeye gelmesini sağlamış. Sinir sinyallerini bir silis­yum chipi üzerinden elektronik yoldan bir hücreden diğe­rine iletmeyi ve hücreleri bu tip bir chipten yapılma sinir ucu üzerinde oluşturabilmeyi başardığından beri From­herz artık o kadar da çekingen konuşmuyor.
"Vizyonu olmayan bir şüpheci değilim. Aksine, nörobil-gisayar konusunda umulan gelişmeyi ve protez bilimi ala­nındaki yeni imkanları çok ilginç buluyorum." Fromherz 1991 yılında ilk defa bir sülükten aldığı bir nöronu (sinir hücresi) bir chipe yerleştirmeyi başarmıştı. Bir transistor hücreden gelen sinyalleri alıyordu. 1995 yılında bu temel deney tersi yönde de başarılmıştı: Bir hücre bir chip üzerin­den elektronik darbelere maruz bırakılıyordu ve hücre bunlara sinyaller olarak Ölçülebilen bir aksiyon potansiyeli
ARAŞTIRMA PROJELERİ: Biyofizikçiler, deneylerinde kullanılmak üzere sinir hücrelerini sağlayan salyangozlar yetiştiriyorlar,
ile cevap veriyordu.
Sülüklerin deney hayvanları olarak tercih edilmesinin nedeni, diğer hayvanlarınkilerle karşılaştırıldığında büyük sayılabilen sinir hücrelerinin kolayca birbirinden ayrılabil­mesi şanssızlığına sahip olmalarıydı. Elektrik tarafında da bu yüzden yapılar görece kaba olduğu için, fizikçiler silis­yum altyapısını kolayca üretmeyi başardılar, komplike CMOS proseslerine ya da nanoteknolojiye burada gerek yoktu.
Salyangozlar gözde hayvanlar
Günümüzde salyangozlar Martinsried MPI'daki biyofizik­çilerin gözde hayvanları. Bunların sinir hücreleri, sülüklere göre daha iyi bir sinyal davranışına sahipler. "Salyangozlar­dan nöronlarını ayıklamak biraz daha ince çalışma gerekti­riyor," diye açıklıyor Fromherz. Sadece sülüklerden salyan­gozlara geçiş yapmak bile bilim adamlarının iki araştırma yılına mal olmuş. Deney hayvanları, laboratuarların hemen yanındaki birçok akvaryumda yetiştiriliyor. Bu hayvanların sinir hücrelerini elde edebilmek için, bilim adamları onları yuvalarından çıkartıyor, sonra bayıltıyor ve beyinlerini göv-
CHIP | AĞUSTOS 2002
.
>>Bilgisayarlar, günümüzde sadece bir beynin yapabildiği gibi, düşünecekler<<
rılı sonuçları beş İle on yıl içinde göre­biliriz. Ancak burada beyni olan bir bil­gisayar değil, deney tüpündeki deney­ler sözkonusu olacaktır. Protezleri si­nirlerle bağlayabilme imkanına çok iyimser bakılıyor, bu aslında uzmanla­rın tahmin ettiklerinden çok daha zor bir iş. Bu konuda çok fazla temel bilgi eksikliği var. Uzun vadede bunun ger­çekleşebileceği konusunda iyimserim, ama bu herhalde en erken 20 yıl İçinde olur.
Çalışmalarınızla kişisel olarak elde et­mek istediğiniz başka neler var? Fromherz:Araştırmalarımıza on yıl er­ken başladık. Bugün işimize gösterilen ilgi, başlangıçta yoktu. Şimdi zamanın biraz gerisinden koşuyorum. Ancak ağ-tabaka İmplantı araştırmalarına katıl­mayı düşünüyorum. Bir retinayı bir chip üzerine yerleştirdiğimde ne olaca­ğını görmek İstiyorum.
Hangi alanda en büyük gelecek şansı­nı görüyorsunuz?
Fromherz: Uzun vadeli düşündüğü­müzde biyobilgisayar çok ilginç görü­nüyor. Sinir hücreleriyle mikroişlemci-lerin bağlantısı tam olarak başarıldı­ğında, daha önce sadece bir beynin ya­pabildiği şekilde, bilgisayarlar da gü­nün birinde düşünebilirler,
Profesör Dr. Peter Fromherz,
Biyokimya için Max-Planck Enstitüsü, Martinsried/Münih
Bay Fromherz, günün birinde beynimi­ze bir chip takabilecek miyiz? Fromherz: Bu saf bir bilim kurgudan başka bir şey değil. Bence o kadar İleri­ye hiçbir zaman gidemeyeceğiz. Ancak bu tip spekülasyonlara katılmak pek de hoşuma gitmiyor. Küçük adımlar atabilmek için bile çok uzun ve zah­metli temel araştırmalara ve buluşlara ihtiyaç var. Çoğu bilim adamı günü­müzde projelerine para bulabilmek için, güncel sloganlara hizmet etmek ve abartılı sonuçlar vaat etmek zorun­dalar. Bazı bilim adamlarının öngör­dükleri şeyler sadece bir saçmalık.
Çalışmalarınızla hangi hedeflere ulaş­mak İstiyorsunuz? Fromherz: Öncelikle nörobiyoloji için
yeni ölçüm yöntemleri geliştiriyoruz. Sadece bir, iki veya on elektrotla, 10.000.000,000 sinir hücresinden olu­şan bir beynin nasıl çalıştığını anla­mak imkansızdır. Bir mikrochip mil­yonlarca kontakt sağlayabilir ve bizi bu sonuca yaklaştırabilir. Biyosensö-rikte başarılı sonuçlar elle tutulacak kadar yakın. Hücre genetiği kombinas­yonuyla farmakolojik deneyler yapıla­bilir, yani yeni ilaçların etkisi deney tü­pünde önceden kolayca denenebilir.
Uzak gelecekte bizi neler bekliyor? Fromherz: Gerçi bir beynin nasıl çalıştı­ğını bulmaya çalışmayacağız, ancak belki sinir hücrelerinin ağ özelliklerini bilişim için kullanabiliriz. Bu da sinirsel bilgisayara giden yolu açıyor. İlk başa-
delerinden ayırıyorlar. Hücreler bir besleyici çözeltide geliş­meye devam ediyorlar ve deneyler için hazır hale geliyorlar.
"Diğer araştırma alanlarının aksine, burada tamamen yalnızız," diyen Fromherz, ekibinin özel durumuna da bir açıklama getiriyor. Bu yüzden aşama kaydetmeleri ve başa­rıya ulaşmaları daha zor ve yavaş oluyor, ne de olsa o ve ça­lışma arkadaşları herşeyi kendileri başarmalılar. Membran ve nörofizik bölümünde, altbölümler arasında sıkı bir işbir­liği var ve çok sayıdaki fizikçinin yanında biyologlar ve kimyagerler de burada çalışmalarım sürdürüyorlar. Max Planck enstitüsü, bilim adamlarının, sonuçları halen çok belirsiz olan, alışılmadık bilimlerde de uzun sürebilecek araştırmalar yürütmelerine imkan sağlıyor. "ABD'de kimse bu tip araştırmaları yapma şansına sahip değildir," diyor Fromherz.
"Araştırmalarımıza 10 yıl erken başladık"
Gerçekte uzun süre hemen hiç kinişe küçük hayvanlarla, si­nir hücreleri ve yarı iletken teknolojisiyle zahmetli bir şekil­de uğraşmak istememiş, zira zaten az olan araştırma sonuç­larından pek de elle tutulur bir fayda çıkartılamamış. "Hal­kın ya da bu işin içinde etkin olarak bulunmayanların açık
CH I P | AĞUSTOS 2002
ilgisi belki biraz da zamanın ruhuna yani trende bağlı," diye bir eklemede bulunuyor Fromherz: "Sanırım araştırmaları­mıza on yıl kadar erken başladık."
Bu durum, MPI'daki ekibin chip'ler ve hücrelerle nele­rin başarılabileceğini göstermesiyle birlikte değişti. Nöron-silisyum bağlantısıyla yapılan başarılı denemelerden sonra günümüzde artık silisyum chip'leri üzerinde yetişen hücre­lerin birlikte yetişmeleri ve sinir uçları oluşturmaları da ba­şarıldı.
Bu tip hybrid (heterojen) sistemlerle sinyal transferinde­ki temel deneylerden biri, İki sinir hücresinin bir chip hali­ne dönüşüp büyüdüğü bir arabirim. Hücrelerden biri, bi­yolojik yoldan ikinci hücreye aktarılan ve daha sonra yine chip tarafından yakalanan bir aksiyon potansiyeli gönder­mek için elektronik üzerinden uyarılıyor. Nöronal (sinirsel) ağlar bunun sonucunda, hücreler ve chip'lerle bağlantılan-dırılabiliyor. Şimdi birdenbire elektronik mühendisleri de biyoteknikerlerin kapısını aşındırmaya başlamışlar. From-herz, bunu neden yaptıklarını iyi biliyor: "Dünya on yıl içinde, yapıtaşları yaklaşık olarak 10 nanometre boyutuna indirgendiklerinde, bilgisayarların gelişiminde tıkanıp kala­cak ve yolun sonuna gelecek." Ancak "biyolojik bilgisayar­larla," spekülasyonu yapıldığı üzere, gelişim devam edebilir.
Öğrenebilen sinir uçları
Sinirsel sistemler doğrultusunda atılacak bir sonraki adım-sa öğrenen sinir uçları. Birbirine bağlı iki hücreye, her iki iletişim kanalı üzerinden hitap edildiğinde, aktivite daha da güçleniyor, bu da biyolojik ağda bir öğrenme süreciyle aynı anlama geliyor. Marünsried'deki biyofizikçiler iki doğrultu­da çalışmalarına devanı ediyorlar. Bir yandan hücre ve chip arasındaki arabirim optimize edilmek isteniyor. Diğer yan­dan da aynı zamanda daha komplike sistemler ele alınıyor.
Gerçi hem sinir hücrelerinde, hem de yan iletkenlerde sinyaller elektriksel olarak aktarılıyor, ancak daha fazla or-tak nokta da yok. Silisyumda elektronlar yardımıyla bilgiler (aşınırken, hücrelerde bunun yerine iyon hatları bulunuyor.
BİYOLOJİ VE ELEKTRONİK: Pipetle bir besleyici çözeltide yetiştirilen hücreler chip'ler üzerine yerleştiriliyor, burada büyümeye devam ediyorlar ve elektronikle sinyal alışverişinde bulunuyorlar.
Her iki sistem de temelde birbiriyle uyumlu değil. Doğru­dan bağlantıda elektronlar hücreye hasar verirken, iyonlar chip'in paslanmasına neden oluyorlar. Bu yüzden chip üze­rindeki ince bir silisyumoksit tabakası doğrudan bağlantıyı engelliyor. Bilgiler doğrudan yük taşıyıcılarının değişimiyle iletilmiyor, bunun yerine her iki ortanı arasındaki elektrik­sel bir alanda transfer gerçekleşiyor.
Nörochip'lerin yaşam süresinde de ayrıca çoğunlukla elektronik parça daha önce bozuluyor. Sinir hücreleri nere­deyse istenildiği kadar uzun bir süre aktif olarak tutulabili­yor, ancak bunlar büyüdükçe coğunlukla chip'lere hasar ve­riyorlar, tıpkı bir ağacın köklerinin günün birinde asfaltı
Sanırım araştırmalarımıza on yıl kadar erken başladık.
Profesör Dr. Peter Fromherz
delip çıkması gibi. Ancak sınır değerlerin ne olduğunu iyi bilen biri, bu arabirimi geliştirebilir. Bu yüzden chip ve hücre arasındaki mesafe ölçümünü geliştirmek ve elektrik­sel direnci mümkün olduğunca kesin olarak belirleyebil­mek için yöntemler üzerinde yoğun bir şekilde çalışılıyor. "Yan etkileri ne kadar iyi belirleyebilir ve kontrol altında tutabilirsek, hücreler ve transistörler arasındaki sinyalleri de o kadar iyi iletebiliriz" diye açıklıyor MPI'daki fizikçi Raimund Gleixer. Kuşkusuz daha heyecan verici olan diğer araştırma doğrultusu: komplike mikrochip'lerin büyük hücre ağlarıyla bağlantılandırılması. Bir farenin beyninden alman kesitler ilgili deneme çalışmalarının çekirdeğini
ÇOK YAKIN: Biyolojik ve elektronik sistemin içsel olarak bağlanması diğer araştırmalar ve buluşlar için bir önkoşul. Fizikçi Raimund Gleixner aradaki mesafeyi ölçüyor.
CHI P AĞUSTOS 2002
oluşturuyorlar. Fromherz: "Memeli hayvanların beyninde tek bir hücre, salyangozlarda olduğu kadar büyük bir öne­me sahip değil." Bu yüzden tipik olarak tek tek hücrelerden gelen aksiyon potansiyelleri ölçülmüyor, bunun yerine bir­çok hücreden gönderilen sinyaller dikkate alınıyor.
Bilim adamları tek tek hücreleri tek tek transistörlere yerleştirmek yerine şimdi, bunlardan daha büyük olan pro­vaları, yoğun transistor ızgaralardan oluşan mikrochip'lerle bağlıyorlarlar. Temasların olduğu yerde sinyaller hemen öl­çülebiliyor. Frornherz ilk başarılı sonuçların haberini veri­yor: "îlk aşamada bu şaşılacak derecede iyi gerçekleşiyor. Bunu daha önce yapmalıydık." Membran ve nörofizik bölü­mü, bugüne kadar kullandığı chip'lerin büyük bir bolümü-nü kendisinin ürettiği tam hijyenik kendi özel üretim oda­sına sahip. Nörofizikçiler birkaç yıldan beridir Siemens'le
işbirliği yaptıkları için, Infineon şimdi CMOS teknolojisin­de 15.000 kontaktlı bir chip üretecek, bu chip sayesinde beyin hücreleri uyarılacak ve bunlardan alınan cevap sin­yalleri yakalanabilecek. Böylece büyük ağlarda bir sinyal alışverişi bir mikrometrelik bir çözünürlükte bile gerçekle­şebilecek. Cevabı belli olmayan soru ise bu sırada ortaya çı­kacak devasa veri yığınlarının nasıl işlenebileceği. Günü­müzün bilgisayarları, tıpkı araba sürebilmek gibi bu yükün altından kalkamazlar.
MF/ Ufuk Yamankılıçoğlu, uyaman@chip.com.tr
www.biochem.mpg.de/mnphys/
www.nero.uni-bonn.de/projekte/ri/ri-index-en.htm
www.kevinwarwick.com/
Bir yandan birileri sabırla temeller konusunda kap­lumbağa hızında araştır­malarına devam ederken, diğer yandan başka birile­ri de insan ve bilgisayarın nihayet içice bağlanmala­rına kadar bekleyemiyor-lar. ingiltere'deki Reading Üniversitesi'nden Profe­sör Kevin Warwick her­halde kaçık ingilizlerin en renkli simalarından biri. Dünyanın ilk Cyborg'u ol­mak saplantısındaki bu
profesör, bu yıl ikinci defa kendi­sine bir mikrochipimplante ettir­miş. Cyborg İfadesi (cybernetic organism, sibernetik organizma­dan türetilmiş) yarı insan, yarı makine, yapay bir varlığı tanımlı­yor.
Oxford'daki bir klinikte, iki sa­atten uzun süren bir operasyon sonucunda Warwick, el bileğine bir chip yerleştirtmiş. Bu chipin tam 100 tane bağlantı noktası­nın her birine alt koldan ince bîr tel uzanıyor.
Dirseğin altından teller War-
wick'in derisinden çıkıyor ve bun­lar bir vericiye bağlılar, bu sayede bilgisayarla iletişim sağlıyorlar. İlk denemede sadece alt kolun­dan sinir sinyalleri bilgisayara gönderildiyse de, artık sinir siste­miyle bilgisayar arasındaki ileti­şim çift yönlü olarak gercekleşe-bilmeli.
Bu da su demek: Warwick'in eline beyninin değil, PC'nin gön­derdiği sinyaller de geliyor. Bîr bi-lim adamı olarak İngiliz Warwick tek başına: Meslektaşlarının gö­zünde ise o katıksız bir kaçık.
CHIP | EYLÜL 2001