Bilim İnsanları Artık Canlı Beyinleri Yeniden Bağlayabiliyor

5 dk okuma

Bilim insanları artık yaşayan beyinleri yeniden bağlayabiliyor

Araç, nihayetinde ruh sağlığını tedavi için tamamen yeni bir yaklaşıma yol açabilir

crystal light/Shutterstock

İnsan beyni, yüzlerce trilyonluk bağlantıyla birbirine bağlanmış yaklaşık 86 milyar nöron içerir. Sinapslar adı verilen yapılarla köprülenen bu bağlantılar, hissettiğimiz, algıladığımız ve yaptığımız her şeyden sorumlu devreleri oluşturur. Büyüdükçe, öğrendikçe, anılar biriktirdikçe ve alışkanlıklar edindikçe de sürekli değişirler.

Nörobilimciler uzun süredir bu devrelere müdahil olup beyinin nasıl çalıştığını anlamaya çalışıyor. Sadece 20 yıl önce, bu devrelerin çalışırkenki ilk görüntülerinden bazılarını sunan optogenetik adı verilen bir teknik geliştiler—bu teknik, ışık kullanarak hücreleri, arasında beyin hücreleri de var, açıp kapatıyor.

Bu çalışma, üç bilim insanına 2026 Nobel Fizyoloji veya Tıp Ödülünü kazandırdı. Beyin yolları otoyollar olsaydı, optogenetik “zaten inşa edilmiş bir yol ağındaki trafiğin sesini kontrol etmek”e benzerdi, diyor Güney Kore’deki Temel Bilimler Enstitüsü’nden nörobilimci Sangkyu Lee.

Ancak bundan da iyisi, “yolun” kendisinin yapısını değiştirmek olurdu—aslında beyinin bağlantılarını düzenleyerek. Daha sonraları bilim insanları yeni bağlantılar ekleme ve var olanları kaldırma yöntemlerini buldular ve bu teknikleri hayvanların davranışlarını değiştirmede hatta anılar eklemekte kullandılar. Nihayetinde bu araçlar, beyin hakkında keşiflere ve potansiyel olarak travma sonrası stres bozukluğu (PTSD), şizofreni ve kompulsif-zorunlu bozukluk (OCD) gibi psikiyatrik rahatsızlıklar için tedavilere yol açabilir.

“Beyin aktivitesini manipüle ederek, temelde, biri için prensip olarak mutlu veya üzgün, susamış veya aç hissettirebileceğiniz fikri, sonuçlarını düşündüğünüzde inanılmazdır,” diyor Kaliforniya Üniversitesi Güney Bölümü’nden nörobilimci Don Arnold.

Bağlantılar Oluşturma

Kafui Dzirasa, Duke Üniversitesi’nde çalışan bir psikiyatrist, “sinirsel mühendislik” alanına tesadüfen adım attı. Beyin-bilgisayar arayüzlerini nöral faaliyeti değiştirmek için kullanarak psikiyatrik rahatsızlıklar için tedaviler geliştirmeye çalışıyordu. Elektrotlar bir bölgedeki faaliyeti algılıyor ve bilgisayarı başka bir bölgeyi uyarması için yönlendiriyordu—temelinde iki bölge birbirine “bağlanıyordu”. Ancak ruh hastalıkları için olası bir tedavi olarak pratik değildi. Bu yüzden Dzirasa, iki ayrıntılı beyin bölgesini birbirine bağlamanın başka yollarını düşünmeye başladı.

“İki bölgeyi birbirine bağlamanın başka yollarını düşünmeye başladık. İki bölgeyi birbirine bağlamanın başka yollarını düşünmeye başladık.” diyor.

Nörobiyologlar, bu işlemi çok basit bir beyne sahip bir canida—yuvarlak solucan Caenorhabditis elegans—gerçekleştirmeyi başarmıştı. Yaklaşık 300 nörona sahip olan bu canil, nörobiyologların çalışması için idealdi. 2014 yılında Kudüs İbrani Üniversitesi’nden nörobiyolog Ithai Rabinowitch ve meslektaşları, solucanların nöral devrelerini yeniden düzenleyerek davranışlarını başarıyla değiştirdi.

Ekip, bunu iki hücre arasında elektrik yüklü parçacıkları özel protein kanalları aracılığıyla aktaran bir sinirsel türü oluşturarak gerçekleştirdi. Bu proteinler, özel olarak programlanmış bir virüs kullanılarak hücrelerin DNA’sına sokulan genler tarafından üretiliyor. Rabinowitch’in ekibi, solucanların mevcut sinirsel bağlantılarını bozmayan yapay bağlantılar oluşturmak için solucanlara fare sinirsel proteinleri enjekte etti. Araştırmacılar, solucanların koku alma duyularını yöneten bir devreyi değiştirebildi ve onları daha önce çekici buldukları bir kokudan kaçınmaya zorladı.

Bu yöntem, o zamandan beri defleden öğrenmeye kadar her türlü işlevi içeren sinir devrelerinin incelenmesinde kullanılıyor. Çarpıcı örneklerden biri, başka bir araştırmacı ekibinin bu yöntemi bir anıyı yeniden bağlamak için kullanmasıydı. Öncelikle solucanları belirli bir sıcaklığı tercih edecek şekilde eğittiler; ardından anıyı bir elektriksel sinaps ile atlayarak solucanların daha sıcak sıcaklıklara doğru hareket etmesine neden oldular. “Tıpkı bir yapay bağlantı oluşturarak bir anı ekleme gibi bir inception deneyi; bir anı eklemissiniz,” diyor çalışmanın kıdemli yazarı ve Yale Tıp Fakültesi’nde hücre biyoloğu olan Daniel Colón-Ramos.

Ama bu yaklaşım, memelilerin daha karmaşık beyinlerinde işe yarayabilir mi? Beyinler büyüdükçe ve daha da karmaşıklaştıkça, istenmeyen bağlantıların oluşma olasılığıyı önlemek giderek zorlaşıyor—bunlar büyük yıkıma yol açabilir, potansiyel olarak ölüme bile neden olabilir. “Billionsca nörona sahip bir hayvanda çok daha fazla kontrol ve hassasiyet sağlamak zorundasınız,” diyor Colón-Ramos.

Mayıs ayında yayımlanan bir çalışmada Dzirasa, Colón-Ramos ve ekibi bu yöntemin farede yapılabileceğini kanıtladılar. Yalnızca özel olarak tasarlanmış bir ortakla bağlanan, birbirleriyle ya da farenin beyninde zaten bulunan sinaps proteinleriyle bağlanmayan sinaps proteinleri oluşturdular. Bu aracı, iki beyin devresinde farklı hücre tiplerini birbirine bağlamak için kullandılar ve farelerin davranışlarında değişiklikler ortaya çıkardılar.

Bu davranış değişikliklerinden bazıları, insan beyinlerindeki benzerliklere dair ipuçları veriyor. Geçen mart ayında ön baskı sunucusu bioRxiv’e yüklenen bir çalışmada Dzirasa ve meslektaşları, OCD’ye benzer tekrarlayıcı tüy bakımı davranışlarına yol açan bir genetik mutasyon taşıyan farelerde aracı test etti. Araştırmacılar, bozulan devreyi atlamak için sinapsları müdahale ettiler ve bu patolojik davranışı azalttılar. “Bu, insan hastalıkları hakkında düşünürken bu aracın potansiyel gücünün açık bir kanıtı,” diyor Dzirasa.

Çıkarma Eklemek

Araştırmacılar, yeni bağlantılar kurmak için başka teknikler de geliştirdi. Ancak bazı durumlar tam tersi bir yaklaşımı, yani mevcut bağlantıları silmeyi gerektirebilir. Örneğin, Travomatik Stres Bozukluğu (PTSD), normalde zararsız olan görüntü veya seslerin kaygı uyarmasına yol açabilir. Bu tepkiler, duyu nöronları ile amigdaladaki “negatif duygu” hücreleri arasında oluşan bağlantılardan kaynaklanıyor olabilir.

“Bu sentezleri silebileceğinizi düşünmek insanı cezbediyor; belki de böylece bundan kurtulabilirsiniz,” diyor Arnold.

Şu ana kadar, sentez silme araçları, sentez ekleme araçlarından çok daha az kesin. Örneğin, Arnold ve arkadaşları, sentezleri bir araya getiren proteinleri parçalayan ve bunları nöronlardan topluca silen bir teknik keşfetti. Geçen yıl bu yöntemi, yalnızca baskılayıcı veya yalnızca uyarıcı sentezleri silebilen (bunlar nöronların ateşlemesi sırasıyla daha az veya daha olası hale gelir) ve ışık veya kimyasallarla aktive edilebilen bir araç setine dönüştürdü.

Ve Nisan ayında yapılan bir çalışmada, Lee ve arkadaşları, doğal olarak sentezleri budayan bir hücre tipi olan astrositleri harekete geçirerek çalışan, Senteetik Trogositoz (SynTrogo) adını verdiği biraz daha kesin bir sentez silme aracı tanıttı. Budamayı tetiklemek için özel “kilit” ve “anahtar” proteinleri kullanan Lee’nin ekibi, farelerin hipokampusunun iki bölgesinde, hafıza için kritik öneme sahip bir beyin bölgesinde, belirli hücre tiplerinin sentezlerinin üçte birden azını silebildi. Kalan bağlantılar güçlendi ve fareler, düzenlenmemiş hayvanlara göre hafıza testlerinde daha iyi performans gösterdi. Bu bulgu, şizofreni gibi anormal bağlantı içeren nörogelişimsel durumların yanı sıra demans gibi memoriyel bozulma içeren durumlar için potansiyel uygulamalara işaret ediyor.

Sentezleri hem silebilen hem de ekleyebilen tekniklere sahip olmak “çok daha fazla esneklik sağlar,” diyor Colón-Ramos. “Bir gaz pedalınız var, ama şimdi aynı zamanda freniniz de var, böylece çok daha fazlasını yapabilirsiniz.”

İleriye bakan Rabinowitch, bilim insanlarının tasarımcı bağlanımları—bir bütün beynin tamamına yetecek kadar özel bağlantılar—inşa edebileceği bir günü hayal ediyor. “Bilgisayarının başına oturur, ‘Bu beyini kuralım’ dersin” diyor. “Sonra sana organizmaya sokman gereken genlerin listesini çıkarır ve sentetik bağlanımını inşa edersin.” Sonuçta bu, Rabinowitch’e göre, belirli görevleri yerine getiren düzenlenmiş hayvanlar hatta yapay yaşam üretebilir.

Bu tekniklerin insanlarda kullanılması için önümüzde uzun bir yol var. Yirmi yıllık, Nobel Ödülü kazanmış optogenetik teknolojisi, ancak insan tedavileri deneylerinde güvenli olduğunu kanıtlamaya başladı.

İnsan devrelerini düzenlemek için araştırmacıların, DNA’yı kan-beyn bariyerini geçip nöronlara güvenli şekilde ulaştırmanın yolunu bulmaları gerekecek. Bilim insanları beyne teslim sistemleri üzerinde çalışıyor ama “bu, kimseyinin gerçekten çözemediği bir bariyer” diyor Arnold. Ve bu yeni araçların ne kadar güvenli olduğu da kimse tarafından bilinmiyor. “İnsan dokusunun bunları tolans edebilip edemeyeceğini test etmeye başlıyoruz” diyor Dzirasa.

Ve belki de daha kritik bir şekilde, araştırmacılar yararlı müdahalede bulunabilmmeden önce insan beyninin işlevini daha iyi anlamaları gerekiyor. Ancak sinir mühendisliği, bunu çözmemize gereken tam da şey olabilir. “Bir şeyin nasıl çalıştığını bilmiyorsan, onu onaramazsın” diyor Colón-Ramos. “Bu araçlar, herhangi bir iyileşme umudunun önündeki bilgiye yol açacak.”

Scientific American Baş Editörü