NÖRAL İMPLANTLARIN ÇALIŞMA PRENSİBİ VE BEYNİN SAVAŞI

NÖRAL İMPLANTLARIN ÇALIŞMA PRENSİBİ VE BEYNİN SAVAŞI

neuralink.com

Her şey Richard Canton’ın 1875’te hayvan beyinlerindeki elektrik sinyallerini keşfi ile başladı. Bizi biz yapan milyarlarca beyin hücresi ve birbirleri ile kurdukları trilyonlarca bağlantıdan oluşan sonsuz yoğunluktaki bu organik ağın içinde şaşırtıcı olan şey iletişimin elektrik akımları ile gerçekleşiyor olmasıydı. Bu bilgi birçok nörobilimcinin ilham kaynağı oldu.  Beynin elektriksel potansiyelini inorganik ve teknolojik dış dünyayı kontrol etmek için kullanma düşüncesi insanlığı peşinden sürükleyecek bir tutkuydu artık. Nöronal aktiviteyi harici cihazları kontrol etmek için komutlara çevirmeye yönelik ilk girişimler, 1960’larda maymunlarda yapıldı. “Beyin-bilgisayar arayüzü” terimi 1970’lerin başında kullanılmaya başlandı. Bu serüven 1998’de ilk defa bir insana nöral implant yerleştirilmesi ve daha sonrasında bu arayüzlerin daha farklı amaç ve ideallere hizmet edecek şekilde geliştirilmesi ile günümüze kadar geldi.

Sinir Hücresi, Nöron, Beyin, Nöronlar
pixabay.com

Bugün beyin-makine arayüzü olarak tasarlanan invazif (cerrahi müdahele ile vücut içerisine yerleştirilen) nöral implantlardan sadece düşünce gücü ile  bilgisayar tablet ve diğer cihazları felçli kişiler başta olmak üzere insanlığın kullanımına sunmak dışında iki önemli beklenti vardır: ‘’Stimülasyon ve kayıt.’’ Stimülasyon elektrotlar yardımı ile beynin hedeflenen alanlarını uyararak motor bozukluk, Alzheimer, Parkinson, Epilepsi gibi hastalıkların tedavisine yardımcı olmak, kayıt ise nöronlardan sinirsel aktiviteyi kaydedip yorumlayarak ileri aşamada heyecanlandırıcı bir biçimde beynin ve bilincin işleyişini çözmektir. Nöral implantlar, Elon Musk’un 28 Ağustos 2020’deki  Neuralink demosunda iddia ettiği  anıları geri getirmekten depresyon tedavisine kadar insanlığa kazandırabileceklerinin çeşitliliği ile umut verici ve Black Mirror tarzı bir yaşam sunması dolayısıyla heyecanlandırıcı ve tabiki tedirgin edicidir. Ancak nöral implantlar biyouyumluluk, uzun ömür ve en önemlisi tıp dünyasında benimsenmesini engelleyen hastanın güvenliği gibi problemleri çözmek zorundadır. Bu yazımda nöral implantların çalışma mekanizmasını ve aşması gereken engelleri, beyin dokusunun bu cihazlara tepkisini ve Neuralink şirketinin nöral implantlardaki geliştirmelerini ele alacağım.


İmplant cihazı ve bağlantı iplikleri
neuralink.com

Nöral İmplantı Oluşturan Parçalar

Nöral implantların en gelişmiş son örneği olan Neuralink, üç birimden oluşur. İlk birim nöral sinyalleri ileten, işleyen ve nöronlara uyarı gönderen kapalı bir implante cihazdır. Bu cihaz verilerin işlendiği bir fabrika ve uyarıların üretidiği bir elektrik santrali gibi çalışır. Bu fabrikaya ürün getirecek ve santralden elektriği taşıyacak olansa saç telinden ince özel iplik mikroelektrotlardır. Elektrotlar kafatasına açılan küçük bir delikten (8 mm)  dura, araknoid ve pia mater adını verdiğimiz beyni sarmalayan zarları geçer ve beynin bilinçli faaliyetlerinden sorumlu korteks tabakasına yerleşir. Son birim ise şarj cihazıdır.

wikimediacommons

Elektrotlar Neden İnvazif Olmalıdır? (Neden kafamızın içine implante edilmelidir?)

Nöral aktivite, EEG (elektroensefalogram) gibi invazif olmayan cihazlar kullanılarak başın dışından izlenebilir. Ancak EEG milyonlarca nöronun toplam aktivitesini kaydeder ve bu ayrıntıların bulanıklaşması demektir.  Nöronal uyarıların detaylı bilgisine erişim beynin içine elektrotlar yerleştirilerek yapılabilir.

pixabay.com

Elektrotlar Nöronlarımızı Nasıl Stimüle Eder ?

İki veya daha fazla elektrot arasındaki iyonik bir akım nöronlarımızın uyarı iletiminden sorumlu aksiyon potansiyeline benzeyen bir elektriksel uyarı üretir. Bu elektriksel uyarı elektrotun çevresindeki uyarılabilir nöronların zarını depolarize ederek ilk fonksiyonel yanıtı başlatır. Bu sayede ilaca dirençli epilepsi ile mücadele edilebilir veya his kaybı yaşayan birinde istenilen bir his oluşturulabilir.

Prosthetic Arm on Blue Background
pexels.com

Elektrotlar Nöronal Aktivitemizi Nasıl Kaydeder?

Nöronlar arası uyarı iletimi  sırasında  somadan aksona doğru ilerleyen bir aksiyon potansiyeli hücre dışı sıvıda potansiyel bir değişime sebep olur. Bu değişim soma zarına yakın olan mikroelektrotlar tarafından kaydedilir.

wikimediacommon

İmplant Sinyalleri Nasıl Yorumlar?

Her eylem beynimizde farklı bölgelerdeki, farklı nöronların, farklı frekanslarda uyarılması ile gerçekleşir. Ancak sinyaller cihaza ulaştığında herkesin aynı anda konuştuğu bir tartışma programı gibi kalabalık ve anlamsızdır. Nöronlardan gelen sinyalleri yorumlamak için, uyarımlardaki ani artışlar tespit edilmelidir. Nöronal ağ içindeki bu dalgalanmalar grafiğe döküldüğünde sivri uçlar meydana getirir. Sinyallerin yorumlanması algoritmalar tarafından gerçekleştirilir. Bu algoritmalar beyinden gelen çok sayıda veriyi adeta bir filtreden geçirir ve yüksek frekanslı aksiyon potansiyellerini düşük frekanslı yerel alan potansiyellerinden (yerel nöronların zar potansiyellerinin toplamı) ayırır ve kümeler. Ancak daha iyi sonuçlar için sivri uçlu sıralama algoritmalarının geliştirilmesi gerekmektedir.

Free stock photo of code, computer, cyberspace, dark
pixabay.com

Beyin İmplant ile Savaşır

Beyin implantı benimseyemez ve onunla şiddetli bir savaş içerisindedir. İmplantasyon sırasında zar, kan damarları, BBB (kan beyin bariyeri) yırtılır. Bu durum kan akışının, oksijen perfüzyonunun ve zehirli atıkların uzaklaştırılmasının azalmasına ve bu da beyin dokusunun iskemisine neden olabilir. Kanama, ödem ve cihaz hacminin yerleştirilmesinden kaynaklanan artan basınç ve mekanik zorlanma, yüzeylerin biyolojik olarak kirlenmesi ve enflamatuar sitokinlerin birikmesi  istenmeyen sonuçlardır. Dokular implante edilen ve yıllarca kullanımı hedeflenen elektrotlara  yabancı cisim reaksiyonu gösterir ve kronik inflamasyon (sürekli iltihap) şeklinde tepki verir .

Beyin, Enflamasyon, Inme, Tıbbi, Sağlık
pixabay.com

Bıçak yarası çalışmalarında, inflamatuar yanıtın ilk yaralanma reaksiyonundan sonra giderek azaldığı gösterilmiştir. Ancak nöral implantlarda durum farklıdır çünkü elektrotlar yıllarca beynimizin içinde bulunacak ve çevresindeki dokularla sürekli etkileşim içerisinde olacaktır.

An external file that holds a picture, illustration, etc.
Object name is micromachines-09-00430-g003.jpg
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC6187588/

İnflamasyon yanıtında görevli trombinlerin beynimizde bulunan diğer bir hücre tipi olan glial hücrelerin aktivitesini tetiklediği keşfedilmiştir. Bu hücreler implantın çevresine glial kapsülleme yaparak adeta bir kılıf örmektedir. Bu kılıf bir kendini koruma tepkisidir ancak  elektrotların nöronları uyarabilme ve gelen uyarıları kaydetme kalitesini azaltmaktadır. Bu sebeplerden dolayı elektrotlarda kullanılan malzemelerin çeşidi, yapısı, sertliği, biyouyumluluğu ve dokuya implante edilme şekli araştırmaların odak noktasını oluşturan konulardır.

neuralink.com

Elektrot Probları Nasıl Olmalıdır?

Uzun vadeli nöral kayıt için sert metallerden veya yarı iletkenlerden yapılmış elektrot dizileri ideal gibi görülebilir. Ayrıca sert metal problar beyne girişi de  kolaylaştır ancak yapısının beyin dokusu ile benzeşmemesi bu cihazların işlevini ve uzun ömürlülüğünü sınırlayan bağışıklık yanıtlarını tetikler. Ayrıca bu tür probların esnekliğinin az olmasından kaynaklanan sabit yapısı daha az nöronla etkileşim anlamına gelir çünkü damar yapılarından kaçınmak için bulunabileceği bölge sınırlıdır.

Bu durumun mevcut çözümü ise ince, esnek çok elektrotlu polimer problar kullanmaktır. Bu probların daha küçük boyutu ve artan esnekliği, daha fazla biyouyumluluk sunmaktadır. Neuralink dahil çoğu nöral implant çalışmalarında tercih ince esnek polimer problardır. Ancak bu tercih implantasyonda zorluklar çıkarmaktadır. Bu elinizde iğne olmadan bir ipi bir yastığa dikmeye çalışmak gibidir.

Bu sorun için sertleştiriciler enjeksiyonlar ve  sert mekik cihazları gibi önerilen yöntemler vardır. Mekik, problara geçici sertlik verir ve cihazın yerleştirilmesinden sonra geri çekilir. Ancak bu işlem mekik gövdesinin yerleştirilen probun tüm kalınlığını artırmasıyla ve dokuda kurtarılamaz hasar ve kalıcı yara izi oluşumuyla sonuçlanmaktadır.  Neuralink, ilk prototipi Kaliforniya Üniversitesi’nde geliştirilen yeni bir tür cerrahi robotu ile işte tam olarak bu sorunu çözmüştür.

wikimediacommons

Neuralink’in İmplantasyona En Büyük Katkısı: Nöroşirürji Robotu

Bu robotun kamera ve özel yazılım paketi, tüm yerleştirme yerlerinin önceden seçilmesine olanak tanıyarak, dişler üzerindeki dolaşma ve gerilmeyi en aza indirgemek için optimize edilmiş yerleştirme yollarının planlanmasına olanak tanır. Böylece implantasyon damar sisteminden kaçınılarak incelikle gerçekleştirilebilir ve bu yukarıda anlattığım doku tepkilerinin azalması anlamına gelmektedir.

Robot, dakikada altı adede kadar iplik (192 elektrot) yerleştirebilen bir otomatik yerleştirme moduna sahiptir. İsterse cerrah kortekse her yerleştirmede  manuel mikro ayarlamalar yapabilir.

Bu yöntem 19 ameliyatta ortalama % 87.1 yerleştirme başarı oranı göstermiştir.

Yapay Zeka, Beyin, Düşünüyorum, Denetim
pixabay.com

SON SÖZ

Nöral implantlardaki gelişmeler ve bizlere sağlayacağı imkanlar umut vericidir. Ancak dokuların elektrotlara tepkisinin anlaşılması ve nöronal aktiviteyi anlanmadıran yazılımların geliştirilmesi gerekmektedir. Önümüzdeki yıllarda nöroteknoloji daha hızlı büyüyecek ve hayatımızın yeni biçimlendiricisi olacaktır. Bu teknolojilerin insanlığı şekillendiriş biçiminin belirleyicisi ise teknolojiyi önde götüren şirketlerin vizyonlarıdır. Daha şimdiden bu teknolojilerin kullanımının etik sorunlarının ve olası tehlikelerinin tartışıldığı yüzlerce makale yayınlanmıştır.  Şu anda hepimizin kullandığı akıllı telefonları, sosyal medya hesaplarını ve bunların çalışma algoritmalarını asla öğrenmiyor, sorgulamıyor ve yaşamımızı şekillendirmesine , bizi yönlendirmesine, manipüle etmesine izin veriyoruz. Yaşamımız bize normal geliyor çünkü. Ancak doğrudan beynimize takacağımız ve yine kendimizi doğrudan uyarıya ve yönlendirmeye açık hedef haline getireceğimiz bir teknolojinin detaylarını öğrenmemek sizce de çok cesurca değil mi!  Bir şeyler değişmediği sürece bu durum gelecek nesiller için de geçerli olacaktır. İleriki yıllarda bir fotoğrafın instagramda paylaşılmasının yerini  beynimize getirilen yeni bir güncellemeyi paylaşmanın alacağını tahmin etmek çok zor değildir. Çünkü gelecekte şirketlerin tüketiciyi elinde tutabilmek için aşılayacağı yeni zihniyet transhümanizm olacaktır. Kendimizi devamlı teknolojik takviyelerle geliştirmeye, yenilemeye ve insanlarla bu şekilde bağlantı kurmaya çalışacağız. Şu anda nöral implant teknolojisini Neuralink yani Elon Musk önde götürmektedir. Öyleyse nöral implantların vizyonu insanların yapay zekaya karşı güç dengesi oluşturabilmek ve neslinin yok edilmesini önleyecek şekilde insan ırkını güçlendirmek olacaktır.

KAYNAKÇA

  • Neuralink.com
  • From Novel Technology to Novel Applications: Comment on “An Integrated Brain-Machine Interface Platform With Thousands of Channels” by Elon Musk and Neuralink, j med internet res, 2019 Oct,
    Alexander N. Psarchik
  • The Connection Between the Nervous System and Machines: Commentary, j med internet res, 2019 Nov , Giacomo Vanille
  • An Integrated Brain-Machine Interface Platform With Thousands of Channels ,j med internet res, 2019 Oct, Elon Musk and Neuralink
  • Meeting brain–computer interface user performance expectations using a deep neural network decoding framework, Nature Medicine, 2018, Michael E. Schwemmer
  • Neural interfaces and BMIs, Science Essay
  • Chronically Implanted Intracranial Electrodes: Tissue Reaction and Electrical Changes, Micromachines, 2018. Andrew Campbell
  • Brain Tissue Responses to Neural Implants Impact Signal Sensitivity and Intervention Strategies, ACS Publications, 2014, Takashi D. Y. Kazai

Yazar: Cemre Sena Aydın

OMÜ Tıp fakültesinde okuyorum.

2 thoughts on “NÖRAL İMPLANTLARIN ÇALIŞMA PRENSİBİ VE BEYNİN SAVAŞI

    S. İpek

    (19 Eylül 2020 - 19:35)

    Teşekkürler 🙂

      Cemre Sena Aydın

      (19 Eylül 2020 - 19:38)

      Ben teşekkür ederim

Bir cevap yazın

E-posta hesabınız yayımlanmayacak. Gerekli alanlar * ile işaretlenmişlerdir

This site uses Akismet to reduce spam. Learn how your comment data is processed.