İnsan Retinasını Taklit Eden Biyoçip Üretildi!

Tarih boyunca insanlar sağlıklarına büyük önem vermiş ve bu amaçla çeşitli yöntemler ve araçlar geliştirmişlerdir. Antik Yunan'dan Maya medeniyetine kadar birçok toplum, tıp ve diş sağlığı gibi alanlarda çeşitli teknikler kullanmıştır. Bu tarihsel miras, günümüzün modern tıbbi uygulamalarının temelini oluşturur.^[1] Günümüzde tıp alanında kaydedilen ilerlemelerle birlikte, vücut fonksiyonlarını destekleyen ve sağlık sorunlarını tedavi eden implantlar giderek daha yaygın hale gelmiştir.

İmplant, vücut içine yerleştirilen ve belirli bir işlevi yerine getiren tıbbi cihaz veya materyallere verilen isimdir. İmplantlar, çeşitli sağlık sorunlarını tedavi etmek, vücut işlevlerini desteklemek veya estetik kaygıları gidermek amacıyla kullanılır. En yaygın implant biçimi muhtemelen ortopedik implantlardır. Bunlar kırık kemikleri onarmak veya eklem protezleri yerleştirmek için kullanılır. Diz, kalça ve omuz protezleri bu gruba girer. Diş implantları ve koklear implantlar (işitme cihazları) da oldukça yaygındır. Teknolojimiz ve bilgi birikimimiz arttıkça, implantların kalitesi ve kullanım alanları da sürekli olarak gelişmektedir.

Uniqa Dental

Gelecekte bu teknolojilerin çok daha ilerlemesi durumunda, bilimkurguda sıkça rastlanan cyborg fikrine bir adım daha yaklaşmış olacağız. İleri seviyede gelişmiş implantlar, insan-makine birleşiminin sınırlarını zorlayarak insan yeteneklerini ve sağlığını büyük ölçüde iyileştirme potansiyeline sahip olabilecek.

Buraya belirtilmek gerekir ki bilim insanları, insan retinasını taklit eden bir biyoçip geliştirerek tıbbi implantlar, nöron çalışmaları ve yapay zekâ alanlarında çığır açan adımlar atmışlardır ve atmaya da devam etmektedirler.

Bu çalışmalardan bir tanesi, esnek ve organik bir yarı iletken olan biyoçipin geliştirilmesidir. Bu biyoçip, nörolojik hastalıkların tedavisinde ve bilgisayarların daha verimli çalışmasında büyük bir potansiyele sahiptir. Francesca Santoro liderliğindeki uluslararası bir araştırma ekibi, bu biyoçipi geliştirerek vücut ve beyindeki işlev bozukluklarını onarmayı hedefleyen büyük bir biyoelektronik projenin parçası olmuştur.^[3]

Cyborglar ve Gerçeklik

İnsan ve makine birleşimi, bilimkurgu hikayelerinin en heyecan verici konularından biridir. Üstelik gerçek dünyada, bu tür cyborglara yönelik ilk adımlar çoktan atılmıştır. Cyborg, "sibernetik organizma" kelimelerinin kısaltması olup hem biyolojik hem de yapay bileşenlere sahip olan varlıkları tanımlamak için kullanılır. Cyborglar, insan vücuduna entegre edilen mekanik veya elektronik cihazlar sayesinde, doğal yeteneklerini artırabilir veya kaybolmuş işlevleri yeniden kazanabilirler. Bu tanım, bilimkurgu eserlerinde sıklıkla karşımıza çıkmasının yanı sıra modern tıpta da birçok uygulaması bulunmaktadır.

Medium

Girişte de bahsettiğimiz üzere insanlar aritmileri tedavi etmek için kalp pilleri, işitme yetisini artırmak için koklear implantlar kullanmakta ve retinal implantlar, neredeyse kör olan kişilere bir nebze de olsa görme yetisi kazandırmaktadır. Tanım olarak aslında bu insanlar da birer cyborgdur.

Bir başka implant çeşidi de retinal implanttır. Retinal implantlar, görme yetisini kaybetmiş veya bu yetisi ciddi şekilde zarar görmüş bireylerin görme yetisini geri kazanmalarına yardımcı olmak amacıyla geliştirilirler. Bu implantlar, retinanın hasarlı veya işlevini yitirmiş kısımlarının yerini alarak görsel bilgiyi beyne iletmek üzere tasarlanmıştır.

Francesca Santoro liderliğinde üretilen yeni bir çip, gelecekte retinal implantların insan vücudu ile daha iyi kaynaşmasına yardımcı olabilir. Bahsi geçen çip, retina benzeri görsel yolları taklit etmek için iletken polimerler ve ışığa duyarlı moleküller kullanılarak geliştirilmiştir.

Kullanılan organik yarı iletken, üzerine düşen ışık miktarını tanıyabilmektedir. Gözlerimizde de benzer bir mekanizma bulunmaktadır. Temelde fotoreseptörlere çarpan ışık miktarı, nihayetinde beyinde bir görüntü oluşturmaktadır. Bu fotoreseptörler, ışığa duyarlı proteinler içerir. Çubuk hücreleri ve koni hücreleri olmak üzere iki ana türde bulunurlar. Çubuk hücreleri düşük ışık koşullarında görmeyi sağlar ve siyah-beyaz algılama yaparlar. Koni hücreler ise parlak ışıkta renkli görmeyi sağlar.

Işık, göz merceğinden geçerek retinaya ulaşır. Retina ise gözün arka kısmında yer alan ve ışık algılayıcı hücrelerin bulunduğu bir tabakadır. Fotonları fotoreseptör hücrelere çarptığında bu hücrelerde bulunan rodopsin ve iodopsin gibi ışığa duyarlı pigmentler uyarılır. Bu pigmentler, fotonların enerjisini emerek kimyasal bir değişime uğrar ve fotoreseptör hücrelerin içinde elektriksel bir sinyal oluşturur. Fotoreseptörlerde oluşan bu elektriksel sinyaller, bipolar hücreler (İng: "bipolar cell") adı verilen ara hücreler aracılığıyla retina içindeki diğer sinir hücrelerine iletilir.

Sonrasında bipolar hücreler, bu sinyalleri gangliyon hücrelerine iletir. Gangliyon hücrelerinin aksonları, optik sinir olarak bilinen yapı aracılığıyla bu sinyalleri beyne taşır. Optik sinirler aracılığıyla iletilen elektriksel sinyaller, beyin korteksindeki görme merkezine ulaşır. Beyin, bu sinyalleri işleyerek ve yorumlayarak nihayetinde bir görsel oluşturur. Bu süreç, nesnelerin şekillerini, renklerini ve hareketlerini algılamamızı sağlar.

İşte organik yarı iletken çip de gözdeki bu doğal mekanizmayı taklit eder. Üzerine düşen ışık miktarını algılayarak elektriksel sinyaller oluşturur ve bu sinyaller, yapay bir görsel sistemde işlenebilir. Çip, iletken polimerler ve ışığa duyarlı moleküller içerir. Bu bileşenler, fotonları algılayarak elektriksel sinyallere dönüştürür ve bu sinyaller, nörolojik ya da elektronik sistemlerde kullanılabilir.

Bu yarı iletkenin avantajları; tamamen toksik olmayan organik bileşenlerden oluşması, esnek olması ve iyonlarla, yani yüklü atom veya moleküllerle çalışabilmesidir. Bu sayede, silikon gibi rijit ve yalnızca elektronlarla çalışan geleneksel yarı iletken bileşenlere kıyasla biyolojik sistemlere çok daha iyi entegre edilebilir.

Ancak bu gelişme henüz sadece bir kavram kanıtıdır (İng: "proof of concept"). Yani belirli bir fikrin veya hipotezin uygulanabilirliğini ve pratikte çalışabilirliğini göstermek amacıyla yapılan bir ön çalışmadır. Malzeme sentezlenmiş ve ardından karakterize edilmiştir. Retinanın tipik özelliklerinin bununla taklit edilebileceği gösterilmiştir.

Science Direct

Araştırmacılar, çipin başka bir olası uygulamasını da düşünmektedir: Çip, ışık ışınımı nedeniyle kullanılan polimerin iletkenliğini kısa ve uzun vadede değiştirdiği için yapay bir sinaps olarak da işlev görebilir. Gerçek sinapslar da benzer şekilde çalışır; elektrik sinyallerini ileterek boyutlarını ve verimliliklerini değiştirirler, bu da beynimizin öğrenme ve hafıza kapasitesinin temelidir. Gelecekteki deneylerde, bileşenleri biyolojik hücrelerle bağlamayı ve birçok bireysel bileşeni birbirine bağlamayı hedeflemektedirler.

Nöronları Anlamak

Santoron'un ekibi insan vücudu, özellikle de sinir sistemi hücreleri ile benzer şekilde etkileşime girebilen diğer biyoelektronik çipler de geliştirmektedir. Bir yandan, sinir hücrelerinin üç boyutlu yapısını taklit etmeye çalışmakta, diğer yandan ise bilgi işleme ve depolama gibi işlevlerini de taklit etmeye çalışmaktadırlar.

Yapay retina için kullanılan biyopolimerler, bu konuda uygun bir başlangıç malzemesi olduğunu kanıtlamıştır. Bunları çok sayıda dendrite sahip insan sinir hücrelerinin dallanmış yapısını çoğaltmak için kullanmak mümkündür. Bu dallanma önemlidir; çünkü gerçek hücreler, pürüzsüz yüzeylere kıyasla bu tür dallanmış üç boyutlu yapılara daha çok meyillidir ve bu nedenle yapay olanlarla yakın temas kurar.

Farklı biyoçipler, gerçek nöronları incelemek için kullanılabilir. Bu biyoçipler, nöronların nasıl iletişim kurduğunu ve bilgi işlediğini anlamamıza yardımcı olabilir. Örneğin, hücresel bilgi alışverişi sırasında nöronlar elektriksel ve kimyasal sinyaller aracılığıyla bilgi iletirler. Biyoçipler, bu sinyalleri algılayarak ve analiz ederek nöronların davranışlarını ve etkileşimlerini detaylı bir şekilde inceleyebilir. Bu, beyin işlevlerinin ve nörolojik hastalıkların daha iyi anlaşılmasına olanak tanır.

Ayrıca Santoro ve ekibi, Parkinson veya Alzheimer gibi nörodejeneratif hastalıklarda meydana gelen bilgi işleme ve iletimindeki hataları düzeltmek veya düzgün çalışmayan organları desteklemek için hücrelerin iletişim yollarına aktif olarak müdahale etmek amacıyla bileşenlerini kullanmayı ummaktadır. Bu tür bileşenler, yapay uzuvlar veya eklemler ile biyolojik sistemler arasında bir arayüz olarak da hizmet edebilir.

Bilgisayar teknolojisi de bu durumdan fayda sağlayabilir. Özellikleri nedeniyle, çipler yapay sinir ağları için donanım olarak hizmet etmek için idealdir. Şimdilik, yapay zekâ programları yapısını uyarlayamayan klasik işlemcilerle çalışmaktadır. Karmaşık yazılımlar aracılığıyla öğrenen çalışma prensiplerini taklit etmektedirler ki bu oldukça verimsizdir. Yapay nöronlar, önceki eksiklikleri gidererek beynin tüm seviyelerde nasıl çalıştığını taklit eden bilgisayar teknolojisini mümkün kılabilir.

Sonuç

Teknoloji geliştikçe etik konular da göz önünde bulundurulmalıdır. İmplantların ve diğer ileri teknolojilerin yaygınlaştığı bir dünyada, bu yeniliklerin insan yararına kullanılması esastır. Teknoloji ve bilim, ancak insanlık için faydalı olduğunda değer kazanır. Bu nedenle her türlü teknolojik ilerlemenin etik çerçevede değerlendirilmesi ve topluma olumlu katkılar sağlaması hedeflenmelidir. Bu yaklaşım gelecekteki bilimsel ve teknolojik gelişmelerin sürdürülebilir ve insan odaklı olmasını sağlayacaktır.