Stanford Üniversitesi’nden nörobilimciler, insan beynini anlamak için yıllardır çözmeye çalıştıkları en büyük engellerden birine yaklaşmak amacıyla farelerin beyin dokusuna insan korteks hücrelerini yerleştirdi. Sergiu Pașca önderliğindeki ekibin bu deneyinde, gelişimin erken aşamasında genetik olarak korteksi büyük ölçüde azaltılmış farelere insan kortikal organoidler nakledildi ve üç ay içinde insan dokusu, farenin korteks hacminin yüzde 90’ını aştı. Bu dokuda kan damarları oluştu, fare sinir sistemine bağlandı, elektriksel aktivite gösterdi ve omuriliğe kadar uzanan bağlantılar oluşturdu.
Araştırmacıların hedefi, insan beyninin gelişimi, kablolama süreci ve bu süreçte gidenlerin neden bozulduğu gibi konularda daha gerçekçi bir model sunmak. İnsan beynini araştırmak en büyük zorluğu, o anki beyin dokusuna müdahale edilememesi oluşturuyor; çünkü dokular canlıyken üzerinde deneysel işlem yapılamıyor. Bu nedenle bilim insanları yıllardır petri tablasında yetiştirilen hücrelerden üç boyutlu organoidlere kadar pek çok alternatif yol denedi, ancak en gelişmiş organoidlerin bile eksik kalan bir yanı var: beynin normal işlevini sürdüren vücut.
Deneysel Sürecin Arka Planı
Bu sorunu çözmek için ekibin 2022’de insan kortikal organoidlerini yenidoğan sıçanlara naklettiği bir çalışma vardı. O deneyde insan nöronları sıçan beyninde olgunlaştı, sinir sistemine entegre oldu ve hatta bıyıklarından gelen duyusal bilgiye tepki verdi. Ancak insan nöronlarının kemirgen nöronlarına göre çok daha yavaş gelişmesi bir sorun olarak kaldı; iki gelişim sistemi aynı alanda rekabet ediyordu.
Bu rekabeti ortadan kaldırmak amacıyla ekibin genetik olarak düzenlediği farelerde, büyük ölçüde serebral korteks ve hipoampis hiç gelişmedi. Araştırmacılar bu hayvanlara “apallial” (korteksi eksik) faresi adını verdi. Bazıları bu şekilde yetişkinliğe kadar büyütüldü; diğerleri doğumdan kısa süre sonra insan kortikal organoid nakli aldı ve araştırmacıların “xenocortical” (yabancı korteksli) faresi olarak tanımladığı hayvanlar ortaya çıktı.
Fareler aylar içinde büyüdükçe, nakledilen doku da boş korteks alanını dolduracak şekilde dramatik biçimde genişledi. Üç ay içinde insan dokusu, korteksin hacminin yüzde 90’ından fazlasını oluşturdu ve omuriliğe kadar uzanan bazı bağlantılar gönderdi.
“En önemli nokta şu ki bunlar hâlâ fareler,” Stanford Üniversitesi nörobilimcisi Sergiu Pașca, ScienceAlert’e söyledi. “Bu hayvanların fare sinir sistemi, fare duyusal organları ve fare korteks altı yapıları var. İstisnai olan şey ise, bu hayvanlarda korteks dokusunun çoğunluğunun insan kaynaklı olması ve insan nöronlarının büyümesi, entegre olması ve fare sinir sisteminin geri kalanıyla işlevsel bağlantılar kurması.”
Sergiu Pașca, Stanford Üniversitesi
Elde edilen doku bir insan korteksi replikası değildi. Yaklaşık altı ay sonra bile dokunun gelişimsel olarak olgun olmadığı, yetişkin korteksin düzenli katmanlarına sahip olmaması gözlemlendi; durum insan beyninin orta gebelik dönemine benzer seviyede kaldı.
Bulunan Nöron Tipleri
Bu yetersiz gelişimin ardından bile, araştırmacıların diğer modellerde üretmekte zorlandığı nöron tipleri ortaya çıktı. Bunlar arasında uzun mesafe bağlantıları sağlayan, korteksi sinir sisteminin uzak bölgeleriyle birleştiren 5 katmanlı ekstralensefalik (L5-ET) nöronları yer aldı.
Bu popülasyon içinde araştırmacılar von Economo nöronlarına benzer hücreler de tespit etti. İnsan beyninin belirli bölgelerinde bulunan, uzamış biçimli ve laboratuvar ortamında üretilmesi uzun süredir zorluk çeken bu nöronların, daha önceki sıçan çalışmasında hiç saptanmadığı kaydedildi.
“Bu nöronları beynin gelişimsel ortamının sunduğu sinyalleri içeren faktörlerin tetiklediğini henüz bilmiyoruz; bence bu, çalışmanın açtığı en ilginç sorulardan biri,” Pașca açıklamasında bulundu. “İnsan kortikal nöronlara sinir sisteminin uzak hedeflerine erişim sağlayarak, petri tablasındaki organoidlerde zorlukla yeniden üretilen sinyalleri verebiliriz. Başka bir ihtimal de, petri tablasındaki organoidlerden eksik olan trofik veya büyüme faktörleri, nöronal aktiviteyle ilişkili sinyaller, damarlanma ya da çevresel hücrelerle kurulan etkileşimler gibi in vivo ortamdaki unsurlardır.”
Sergiu Pașca, Stanford Üniversitesi
Deneysel Sonuçlar ve Etik Boyut
Bu noktada araştırmacıların ikinci sorusu da gündeme geldi: insan beyni hücreleri farelerin labirent testinde daha iyi performans göstermesini sağlar mı, yoksa bu graftlar farelere ne yapıyor? Araştırmacılar normal kontrol grubundan, nakil almamış apallial farelerden ve xenocortical farelerden oluşan üç grup üzerinde Y biçimli labirent testi uyguladı.
Farelerin doğası gereği yeni ziyaret ettikleri labirent kolu yerine farklı bir kol keşfetme eğilimi taşıması, geçmişte neredeydiklerini hatırlama yeteneğini ölçen basit bir çalışma hafızası testini mümkün kılıyor. Kontrol fareleri şansa göre daha iyi performans gösterdi; apallial fareler ise korteks ve hipoampisin büyük kısmını kaybettikleri için yeni ziyaret ettikleri kolu hatırlamakta zorlandılar.
Xenocortical farelerin de şansın üzerinde sonuçlar vermesi araştırmacıları dikkat çekti. Ancak Pașca, bu tek başına insan nöronlarının davranıştan doğrudan sorumlu olduğunu sonucuna varılmayacağını uyardı.
“Bu, özellikle apallial farelerin aynı performansı göstermemesi açısından ilginç bir sonuç,” Pașca dedi. “Ancak yalnızca buna dayanarak insan nöronlarının davranıştan doğrudan sorumlu olduğunu sonucuna varmamız gerektiğine dair bir iddia kurmamalıyız; bu, gelecekteki araştırmalarda ele alınması gereken bir soru.”
Sergiu Pașca, Stanford Üniversitesi
Araştırmacıların asıl sorduğu sorunun “insan beyni hücreleri fareleri labirentte daha iyi yapabilir mi?” değil, “farelerdeki insan beyni graftları, beyinin bozulduğunda ne olduğunu incelemek için bir yol sunabilir mi?” olduğu vurgulandı.
Bu modelin potansiyel uygulamaları arasında ön temporal atrofik demans yer alıyor. İnsan kortikal organoidlerden hastalardan elde edilebilir; nadir nöronların seçici zayıflığa uğrayıp uğramadığı sorulabilir ve onları koruyabilecek aday müdahaleler test edilebilir. Epilepside, hastalıkla ilişkili insan nöronlarının anormal devre aktivitesi ya da kriz üretip üretemeyeceği araştırılabilir; otizm ve diğer nörogelişimsel bozukluklarda ise tanımlı kortikal devre değişikliklerinin hayvan üzerinde yeniden üretilebilir işlevsel veya davranışsal sonuçlar verip vermeyeceği incelenebilir.
Bu çalışmanın yayımlandığı Nature dergisinde, insan sinir dokusunu başka bir hayvan sinir sistemine bu ölçekte entegre etmek zorunlu olarak bazı etik soruları da beraberinde getiriyor. Stanford’un biyoetikçileri ve nörobilimci, etikçi, hukukçu ve hasta savunucularından oluşan harici bir komite de sürecin parçasıydı.
“İnsan sinir dokusunu hayvan sinir sistemine giderek daha karmaşık biçimde eklemek, ek etik değerlendirmeyi gerektirebilecek beklenmedik, ortaya çıkan ya da yeni özelliklere yol açabilir mi? Bu ihtimali açıkça ele aldık ve çalışmalar ilerledikçe hem biyolojik hem de davranışsal açıdan hayvanları dikkatlice izledik,” Pașca belirtti. “Nörolojik ve psikiyatrik bozukluklar neredeyse beş kişiden birini etkiliyor; bu koşulların çoğu için hâlâ etkili tedaviler geliştirmek üzere altta yatan biyolojimizi yeterince iyi anlamıyoruz.”
Sergiu Pașca, Stanford Üniversitesi
Bu bulgular Nature dergisinde yayımlandı.
