Yaptığımız her fiziksel ya da zihinsel aktivite sinir sistemimizdeki sinir hücrelerinin birbirleri ile kurduğu bağlantı sayesinde gerçekleştirilir. Yaklaşık 86 milyar sinir hücresine ev sahipliği yapan beynin [1] nasıl çalıştığını anlamak bilim insanları için oldukça karmaşık ama bir o kadar da heyecan verici bir çalışma alanı.

Sinir hücrelerini içinden akım geçen elektrik kabloları gibi düşünmek mümkün. Bu durumda hücreler arasındaki bağlantılar da elektrik devreleri olarak görülebilir ve her bir sinir hücresinin birden fazla bağlantı kurması sayesinde bu elektrik devrelerinin sayısı trilyonlara ulaşır. Bu durumda hangi elektrik devresinin ne çeşit beyin aktivitesini yürütmekle yükümlü olduğunu çözmek daha da karmaşık bir hal alır.

Mikro elektrotlar yardımı ile beynin belli bir bölgesindeki elektrik devresini, söz gelimi, A devresini harekete geçirip devrenin hangi beyin aktivitesinden sorumlu olduğunu bulmak mümkün. Ancak bu yöntemle A devresinin yakınında bulunan başka bir devreyi (B devresini) de harekete geçirme riski olduğundan, ortaya çıkan fiziksel ya da zihinsel aktivitenin A devresi mi yoksa B devresi mi tarafından yürütüldüğünü bulmak zorlaşır.

İşte bu noktada bilim insanları genetik mühendisliği tekniklerini kullanarak optogenetik adı verilen, ışık ve genetiğin kullanılarak hücrelerin manipüle edilmesini esas alan yöntemi geliştirdiler. Tekniğin temeli 1970’lerde, opsin denilen protein grubunun üstünde yapılan çalışmalara dayanır. Opsin proteinleri hücre zarına gömülmüş yapısal proteinler olup hücre içi ve dışı iyon (pozitif ve negatif yüklü atomlar) geçişinde görev alırlar; yani bir nevi kapı olarak işlev görürler. Bu kapıların açılıp kapanması, opsin proteinin belli dalga boyunda ışığa maruz kalması ile kontrol edilebilir ve yapılan alış-veriş sonucunda sinir hücrelerinin uyarılması kontrol edilir.

Sinir hücrelerinin uyarılması normalde (uyarılmamış halde) negatif elektrik yüklü hücre içinin, iyon alışverişi sayesinde, pozitif yüklenmesi yoluyla gerçekleşir. İyon alışverişinin tetiklenmesi, bir sinir hücresinin diğerine gönderdiği kimyasal iletiler ile tetiklenir.

Opsin proteinleri geçişini kontrol ettikleri iyon çeşidine göre sinir hücrelerinin uyarılmasını tetikledikleri gibi buna engel de olabilirler. Örneğin, yeşil alglerde (geneli tek hücreli ve suda yaşayan canlılar) keşfedilen “channelrhodopsin” denen opsin grubu pozitif elektrik yüklü iyonları hücre içine alarak sinir hücrelerini uyarırken, arkealarda (ilkel bakteriler) keşfedilen “halorhodopsinler” negatif elektrik yüklü iyonları hücre içine alarak sinir hücrelerinin uyarılmasına engel olurlar.

Bilim insanları bu proteinleri üreten genleri belli sinir hücrelerinin genomuna entegre ederek, proteinin 86 milyar sinir hücresinden sadece bir grubunda üretilmesini sağlayabilirler. Beyne gönderilen belli dalga boyundaki lazer ışını sayesinde, sadece bu proteine sahip olan sinir hücrelerinin ve onların oluşturduğu elektrik devrelerinin açılıp kapanması ve bu sayede de devrelerin sorumlu olduğu fiziksel ve zihinsel aktiviteler kontrol edilmiş olur.

Son dönemlerde bu teknik kullanılarak bilim insanları beyni anlamamızda önemli buluşlara imza attılar. Örneğin, Yale Üniversitesi’nden Xiaobing Zhang ve Anthony N. van den Pol bu tekniği kullanarak aşırı yemek yeme bozukluğuna sebep olan sinir devresini buldular. 2017 Mayıs ayında Science dergisinde yayımlanan ve fareler üzerinde yapılan çalışmada, beynin “zona incerta” denen bölgesindeki sinir hücrelerinin “paraventrükülar talamus” bölgesindeki sinir hücrelerine açlık anında “yemek ye” sinyalini ilettiği gösterildi [2]. Araştırmacılar lazer ışını göndererek beynin zona incerta bölgesindeki sinir hücrelerini yapay yolla aktive edip farelerde aşırı yemek yeme dürtüsünü tetiklediler. Fareler normalde 24 saatte tükettikleri yemeğin %35’ini sadece 10 dakika içerisinde tükettiler. Bu sinir hücrelerinin düzenli bir şekilde ışık kontrolü ile uyarılması sonucu fareler aşırı yemek yeme eğilimine devam etmiş, özellikle yağ oranı yüksek yiyeceklere ilgi göstermişler ve kilo almışlardır [2].

2017 Science Translational Medicine dergisinin Ağustos sayısında yayımlanan başka bir çalışmada ise Aslıhan Selimbeyoğlu ve arkadaşları optogenetik tekniğini kullanarak otizm spektrum bozukluğuna sahip insanların sosyal ilişki kurmasından kaçınmasına sebep olan sinir devresinin çalışma prensibini bulmuşlardır [3]. Otizm spektrum bozukluğu modeli olarak kullanılan farelerin ilgili beyin bölgesindeki devrelerin uyarılması ve susturulması arasındaki dengeyi optogenetik yollarla değiştiren Selimbeyoğlu ve ekibi, bu farelerin diğer farelerle daha fazla zaman geçirdiğini ve daha az hiperaktif olduklarını gözlemlemişler [3].

Yukarıdaki bahsi geçen çalışmaların temeli opsin proteinlerini üreten sinir hücrelerini ışık yoluyla aktive etmeye ya da susturmaya dayanırken bilim insanları olayların akışını tersine çevirmiş ve bu sefer aktif olan hücrelerin opsin proteini sayesinde ışımasını sağlamışlardır.

MIT’den Adam Cohen ve grubu, hücre içi elektrik yüküne ve asiditesine (ortamın asitliğine) bağlı olarak aktifleşen ve ışıma yapan bir başka bakteri opsini olan Arch3 proteinini çalışmışlar [4]. Grup bu proteini üreten sinir hücrelerini uyardıklarında ortaya çıkan floresan ışımayı kaydetmiş. Hayli heyecan verici olan bu çalışma sayesinde bir sinir hücresinden diğerine uyarı aktarılırken ve bu uyarının geçtiği hücreler ışıma yayarken beynin hangi bölgelerinin birbirleri ile iletişimde olduğunu tayin etmek mümkün olabilir.

Optogenetik teknikleri 2005 yılında memeli sinir hücrelerinde ilk defa kullanılmaya başlamasından [5] bu yana teknik oldukça gelişmiş durumda. Teknik şu aşamada insanlar üzerinde kullanılabilir olmasa da; fare, sirke sineği ya da solucan gibi model organizmalar üzerinde yapılan çalışmalar sayesinde burada da örneklendiği gibi davranış bozukluklarından, bağımlılığa, otizm spektrum bozukluğundan Parkinson’a, öğrenme ve hafıza oluşumuna kadar birçok sinirsel faaliyetin yürütülmesinde görevli sinir hücresi grupları ve onların oluşturduğu devreler ve çalışma prensipleri aydınlatılmıştır.

Hazırlayan: Burcu Erdoğan

Düzenleyen: Erdinç Sezgin

Kaynaklar

1.         Azevedo FA, Carvalho LR, Grinberg LT, Farfel JM, Ferretti RE, Leite RE, Jacob Filho W, Lent R, Herculano-Houzel S: Equal numbers of neuronal and nonneuronal cells make the human brain an isometrically scaled-up primate brain. J Comp Neurol 2009, 513:532-541.
2.         Zhang X, van den Pol AN: Rapid binge-like eating and body weight gain driven by zona incerta GABA neuron activation. Science 2017, 356:853-859.
3.         Selimbeyoglu A, Kim CK, Inoue M, Lee SY, Hong ASO, Kauvar I, Ramakrishnan C, Fenno LE, Davidson TJ, Wright M, Deisseroth K: Modulation of prefrontal cortex excitation/inhibition balance rescues social behavior in. Sci Transl Med 2017, 9.
4.         Kralj JM, Douglass AD, Hochbaum DR, Maclaurin D, Cohen AE: Optical recording of action potentials in mammalian neurons using a microbial rhodopsin. Nat Methods 2011, 9:90-95.
5.         Boyden ES, Zhang F, Bamberg E, Nagel G, Deisseroth K: Millisecond-timescale, genetically targeted optical control of neural activity. Nat Neurosci 2005, 8:1263-1268.

Diğer kaynaklar

Optogenetics Lights Up Therapeutic Neuroscience, Nayef Al-Rodhan, Scientific American 2016
https://www.scientificamerican.com/article/optogenetics-lights-up-therapeutic-neuroscience/

Optogenetics: Controlling the Brain with Light [Extended Version], Karl Deisseroth, Scientific American 2010
https://www.scientificamerican.com/article/optogenetics-controlling/

  • Karl Deisseroth, optogenetiğin memeli hücrelerinde kullanıldığını gösteren ve 2005 yılında yayımlanan çalışmayı yürüten grubun lideri. Scientific American sitesinde yayımlanan bu makalesinde tekniğin gelişim evresini ve hangi alanlarda kullanılabileceğine dair görüşlerini aktarmış.

https://web.stanford.edu/group/dlab/optogenetics/hardware.html

  • Optogenetik tekniğinde kullanılan sistemin ve bunun fare beynine nasıl bağlandığını ve tekniğin çalışma prensiplerinin açıklandığı Karl Deisseroth ve grubuna ait bir internet sitesi.