Beynimizi Işıkla Kontrol Etmek Mümkün Mü?

Gelecekte beyninizi ve dolayısıyla davranışlarınızı başka bir gücün kontrol edebileceğini söylesem tepkiniz ne olurdu? Belki kontrol edildiğinizin farkında olarak istemsizce verilen komutları uygulayacaktınız, belki de kendi kararlarınızı uyguladığınızı sanarak aslında başka bir gücün emirlerini yerine getirecektiniz? Ama durun, neyse ki çalışmalar henüz bu noktaya gelmedi. Aslında durum bu kadar korkunç da değil, hatta şu an birçok hastalığın tedavisi için umut verici nitelikte. Yeterince kafanızı karıştırdıysam şimdi size optogenetik teknolojisinden bahsedeyim ve kararı siz verin.

Bilindiği üzere teknoloji her ne kadar ilerlemiş olsa da şu anki bilgimizle beynimizin sırlarına ve sınırlarına tam olarak erişmiş değiliz. Zihnimizin işleyişi hala bir kara kutu gibi tam anlamıyla açılmayı ve açıklanmayı bekliyor. Beyni tam anlamıyla kavramak, hangi sinirsel ağların hangi işlevleri yürüttüğünü bilmek; psikiyatrik ve nörolojik hastalıklar başta olmak üzere birçok hastalığın sebebini anlayarak yeni tedavi yöntemleri geliştirmemize yardımcı olabilir. Çünkü bir sorunu çözmemiz için öncelikle sorunun ne olduğuna tam anlamıyla hakim olmamız gerekir.

Bu konuda 1979’daki Scientific American dergisindeki makalesinde, Nobel ödüllü Francis Crick de nörolojik bilimlerin karşılaştığı ana zorluğun, diğer hücrelerde değişime neden olmadan, beyindeki tek bir hücrenin incelenebilmesi olduğunu belirtmişti. Tam da buna karşılık bilimde yeni bir umut doğdu. Bize bu umudu aşılayan teknoloji ise 2005 yılında Kaliforniya Stanford Üniversitesi’nde çalışılmaya başlanan 2010 yılında Nature Methods dergisinde yılın metodu olarak yayınlanan “Optogenetik Teknolojisi”.

Optogenetik terimi; optik ve genetik teknikleri birleştirerek oluşturulan önemli bir alanı yansıtmaktadır. En anlaşılır tanımıyla, ışığı kullanarak beyindeki sinir devrelerini kontrol etme metodu olarak tanımlanabilir.

Tekniğin temeli 1970’lerde, opsin denilen protein grubunun üstünde yapılan çalışmalara dayanıyor. Opsinler hücre zarına gömülmüş yapısal proteinlerdir ve 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 alışveriş sonucunda sinir hücrelerinin uyarılması kontrol edilir.

Opsin genlerinden üretilen ışığa duyarlı proteinler (bacteriorhodopsin, halorhodopsin, channelrhodopsin) genetik olarak kodlanarak önceden seçilmiş hedeflenen sinir devrelerinin aktifleştirilmesi veya engellenmesi amacıyla hedef sinirlere aktarılır. Böylece hedeflenen canlı hücrelerin davranışları ışık kullanılarak kontrol edilir.

Genetik, viroloji ve optik teknikler kullanılarak, diğer standart metotların yapamadığı, nöronların spesifik gruplarının aktifleştirilmesi veya susturulması sağlanır. Optogenetikle belirli bir zaman diliminde, belirli bir hücredeki, tek bir olayı inceleme şansı ortaya çıkmaktadır. Yani tam da Francis Crick’in belirttiği soruna çözüm üretilmiş oluyor. Kullanılan hücresel araçlara bakacak olursak bu proteinleri şöyle sınıflandırabiliriz:

a)Bakteriyorodopsin: Yeşil alglerden keşfedilen ışığa duyarlı ilk protein olarak bilinir. Yeşil ışık ile uyarıldığında enjekte edildiği sinir devresinde aksiyon potansiyeli oluşturur, yani hücresel etkinliği başlatır.

1. b) Halorodopsin (NpHR): Sarı ışığa duyarlı olan ve Halobacterium salinarum’da tespit edilen iyon kanalıdır. Aksiyon potansiyelinin pasifleştirir yani hücresel etkinliği durdurur.
2. c) Kanalrodopsin (ChR): Yeşil yosunlarda keşfedilen iyon kanallarıdır. Mavi ışıkla uyarıldığında aksiyon potansiyelinin oluşmasına yardımcı olmaktadır.
3. d) Genetik Olarak Kodlanmış Optik Araçlar (OptoXR): OptoXR geni, rodopsini (az ışıkta görmemize yardımcı olan mor renkli bir pigment) aktifleştirerek, görmede etkili olur. Hücre içi sinyal yollarının mekanizmasını kontrol edebilecek bir yöntemdir.

8 adımda optogenetik çalışmaları nasıl uygulanıyor:

• Işığa duyarlı iyon kanalını kodlayan gen izole edilir.
• İzole gen hücre kültürüne ekilerek virüs içine yerleştirilir.
• Virüs, canlı dokuya enjekte edilerek hedef bölgenin transfeksiyonu (araştırma amaçlı protein üretimi, hücrenin protein ifade düzeyini değiştirerek bu değişimlerin hücre düzeyindeki etkisinin araştırılması ve genetik belirleyicilerin hücrelere aktarılması gibi birçok amaç için kullanılan bir tekniktir) sağlanır.
• Fiberoptik kablo ve elektrotlar deneğe takılır.
• Işık verilmesi sonucunda iyon kanalları açılır.
• Sinir hücrelerinde aksiyon potansiyeli oluşur.
• Bu hücresel aktiviteyle oluşan elektrofizyolojik değişimler kaydedilir.
• Deneklerde davranış değişiklikleri gözlemlenir.

Başta da bahsettiğim gibi optogenetik teknolojisinin amacı, nörolojik bozuklukların mekanizmalarını anlamak ve bunları düzeltmek için tedavi stratejileri geliştirmektir. Yeni sayılabilecek bir teknoloji olmasına rağmen günümüzde birçok optogenetik araştırma merkezi var ve çok sayıda çalışma yapılıyor.

Örneğin araştırmacılar fare beyninin yemek yeme sinyali veren bölgesine ışık göndererek sinir hücrelerini yapay yolla aktive edip farelerde aşırı yemek yeme dürtüsünü tetiklediler. Normalde 24 saatte tükettikleri besinin %35’ini 10 dakika içerinde tüketen fareler; düzenli bir şekilde uyarılmaları sonucunda aşırı yemek yeme eğilimine devam etmiş ve kilo almışlardır.

Başka bir çalışmada Aslıhan Selimbeyoğlu ve ekibi optogenetik uygulamalarla otizm spektrum bozukluğu modeli olarak kullanılan farelerin sosyal ilişki kuramamasına yol açan beyin bölgesinin uyarılmasını ve susturulmasını sağladı. Uyarılan bu farelerin diğer farelerle daha fazla zaman geçirdiğini ve daha az hiperaktif olduklarını gözlemlemişler.

Epilepsi modelli çalışmalarda ise optogenetik yöntemlerle serebellumun aydınlatılması, nöbetlerin geciktirmesinde etkili olmuş ve nöbet süresinde olumlu azalmaların olduğu tespit edilmiş.

Bu örnekler şimdiye kadar yapılmış çalışmaların sadece birkaçı. Bağımlılık, korku, kaygı, depresyon, şizofreni, parkinson, görme sorunları, kalp fizyolojisi gibi birçok alanda çalışmalar yapılmış ve yapılmaya devam ediyor. Hücre kültürü ve farelerde yapılan çalışmalardan sonra uygulamalar primatlar ve kuşlarda da deneniyor.  Etik sorunlar göz önüne alınırsa sinir hücrelerinin kontrolü konusunda benzersiz bir imkan sunmasına rağmen genlerle oynamayı gerektirdiği için şimdilik yalnızca hayvanlar üzerinde çalışmalar yapılıyor.

İnsanlarda uygulanması ve tedavi edici yöntemlere dönüşmesi için henüz başlangıç aşamasında olsa da son on yılda optogenetik, klinik sorulara çözüm üreten umut vaat edici bir teknoloji olarak hızla büyümeye devam ediyor. Bilim insanları önümüzdeki yıllarda hastalıkların kökeninin anlaşılıp uygulanabilir tedavi stratejileri geliştirilmesi açısından çalışmaların hız kazanacağını ve bilim dünyasında çığır açacak yeniliklerin devam edeceğini öngörüyorlar^[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 … Continue reading^[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 … Continue reading^[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^[6]Seda Beyaz, Abdullah Aslan. (2018). Optogenetik. Yüzüncü Yıl Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Dergisi^[7]“Light-controlled genes and neurons poised for clinical trials”https://www.nature.com/^[8]“OPTOGENETİK” https://biomedya.com/^[9]“Nöropsikiyatri’de Optogenetik” https://www.e-psikiyatri.com/^[10]“Optogenetics Controllin” https://www.scientificamerican.com/^[11]“Optogenetics” https://web.stanford.edu/^[12]“Beyin Kontrolünden Tedavisine Optogenetik” http://blog.ulubat.org/^[13]Öne Çıkan Görsel: http://www.biomedya.com/multimedia/htmlimage.jpg^[14]Görsel :  http://www.biomedya.com/multimedia/htmlimage1.png.

[cite]