Geçen hafta sizlere Plastisite, yani beynin kendi gelişebilme, değişebilme özelliğinden ve eğitimin bir anlamda nörozihin yapısı değişikliğine sebep olmasının da bir nevi beyin ameliyatı olduğundan bahsettim. Bu yazımda ise beyin cerrahisinin ufkunu görülebilen sınırların ötesine taşıyacak bir başka konudan bahsedeceğim: “Nörozihin (=connectome) cerrahisi”.
Sanırım Türkçe’mizde böyle bir yayında ilk kez kullanılan bu terim -nörozihin cerrahisi- bu mesleğin en çok gelişen alanı olacaktır. Önceden dediğimiz gibi: “beyin yaşam yaratan organdır”. Beyin oluşturduğu nörozihin üzerinden yaşantılar yaratır ve zihin meydana getirir. Yani beyni değiştirmek, zihni değiştirmek, sonuçta o kişinin yaşamını değiştirmek demektir. Eğitimin, zihinsel olarak yaptığını, (en azından kuramsal olarak) biyolojik olarak da gerçekleştirebilecektir. Sorun, elbette, beyin anatomisindeki hangi değişikliklerin, nörozihinde (connectome) hangi sonuçlar doğurabileceğini bilebilmektedir. Bunun ilk örnekleri OCD (obsesif kompulsif hastalık) gibi hastalıkların derin beyin uyarılması ile tedavisinde kısmi başarı elde edilmesi ile sağlanmıştır.
Nörozihin değiştirici yöntem uygulamaları, doğru seçilmiş hassas anatomik hedeflerin, hücresel-hatta-gen düzeyinde uyarılması ya da durdurulması esasına dayanır. Bu uyaran-nöron etkileşimi de en fazla yatırım yapılan yeni endüstri alanlarındandır (Elan Musk’ın Neuro-Link şirketi gibi). Bu kapsamlı kitapta bile henüz yer bulmamış iki yöntemin yakın gelecekte nörozihin cerrahisinin temellerini oluşturacağını düşünüyorum. Kendi enstitümüzde de laboratuvarlarını kurmakta olduğumuz bu iki metod (a) optogenetik ve (b) clarity (berraklaştırma) yöntemleridir.
a) Optogenetik: Optogenetik, optik ve genetik mühendisliği yöntemlerinin bir araya getirilerek nöronların ışık kullanılarak spesifik olarak kontrolünü içeren yeni bir araştırma alanı ve yöntemidir. İlk olarak 2005 yılında Karl Deisseroth ve ark. tarafından yayınlanan makale (K. Deisseroth ve ark., Nature Neuroscience, 2005) ile milisaniye skalasında nöronal aktivitenin ışık ile kontrol edilebilirliği gösterilmiş ve ardından beynin farkı bölgelerindeki birçok nöronun hastalık ve sağlık durumlarında nasıl çalıştığı ve aktivitesinin değiştirilebilirliği gösterilmiştir.
Özellikle 2010 yılında Nature dergisi tarafından tüm mühendislik ve bilimsel yöntemler arasında “Yılın Yöntemi” olarak seçildikten sonra farklı laboratuvarlarda birçok farklı amaç için kullanılmaya başlanmıştır.
Optogenetiğin işleme mekanizmasını basitçe özetlersek: ışığa hassas bir protein olan opsin geninin genetik mühendisliği yöntemleri ile nöronlara aktarılması ile nöronlar ışığa hassas hale gelir ve belirli dalga boylarında opsin (Channelrhodopsin ailesi proteinler) proteini üreten nöronlar spesifik olarak aktif hale getirilmiş olur. Işık kaynağının fare beynine yerleştirilmesi ve bu kaynağın beynin belirli bölgesindeki ya da belirli nöron gruplarını aktifleştirmesi ile gerçek zamanlı olarak bir canlının beyin aktiviteleri kontrol edilebilir hale getirilmektedir.
Pratikte gerçekleştirilen çalışmalara baktığımızda, bu çalışmalar daha çok beynin karmaşık durum ve şartlardaki çalışma prensiplerini anlamamızı kolaylaştırmaktadır. Örneğin, hatıraların beynin hipokampsündeki nöronlar tarafından saklandığı ve yeri geldiğinde aktifleştirildiği bilinmektedir. Fakat bunun nasıl düzenlendiği ve kontrolünün mümkün olup olmadığını optogenetik yöntemler kullanılarak ortaya konmuştur.
2012 yılında Nature dergisinde yayınlanan çalışmada optogenetik stimülasyon ile hipokampal engramlar (uyaranların beyinde bıraktığı iz) aktive edilerek farelerin korku hafızası kontrol edilebilmiştir. (Xu Liu ve ark., Nature, 2012). Yani korkutucu ortam/ajana bir kez maruz kalan fareler daha sonra o ortama/ajana maruz kalmasalar bile sadece nöronların aktif hale getirilmesi ile korku durumunu yeniden yaşamışlardır.
Dahası başka bir çalışmada daha önce korku durumuna maruz kalmayan farelerde korku ile ilişkili nöronlar daha önce hiç uyaran almamalarına rağmen optogenetik ile aktifleştirilmiş ve farelerin yalancı bir hafıza/anı ile korkutulması sağlanmıştır (Ramirez S, Science, 2013).
Yine aynı grubun başka bir çalışmasında pozitif hafıza engramlarının stimulasyonu ile depresyona giren fareler iyileştirilmiş ve hafıza üzerinden depresyonun tedavisi başarılmıştır (Ramirez S, Nature, 2015). Bu çalışmalar hafızanın kontrolü açısından optogenetiğin neler yapabileceğinin en temel örnekleridir.
Optogenetik çalışmaların bir diğer ilgili alanı ise farklı psikolojik durumların ve bunlara bağlı gelişen davranışsal ya da duygu durumlarının hangi nöronlar tarafından yönetildiği ve bunların kontrolünün gerçekleşmesinin mümkün olup olmadığının incelenmesidir.
Hipotalamusun spesifik bir bölgesindeki nöronların optogenetik aktivitesi ile farelerde aşırı saldırganlık (Lin D ve ark., Nature, 2011), amigdalanın uyarılması ile aşırı yemek yeme karakteri ve buna bağlı gelişen obezite (Aponte Y, ve ark., Nature Neuroscience, 2011), ya da orta beyindeki nöronların uyarılması ile depresyonun kontrolü sağlanmıştır (Chaudhury D. ve ark., Nature, 2013).
Anlaşılması güç bir diğer karmaşık duygu durumu olan annelik duygusunun da optogenetik ile kontrolü sağlanmış ve annelik duygusunun biyolojik olarak kontrol edilebilir olduğu gösterilmiştir (Yi-Ya Fang ve ark, Neuron, 2018).
Özetle, yeni bir araştırma metodu olarak optogenetik, bugün beynin karmaşık yapısını, nöronlar arası etkileşimi hem hücresel düzeyde hem de moleküler düzeyde daha iyi anlamamızı sağlamaktadır. Dahası bu nöronların kontrolünü bilim insanlarının eline vererek beyin cerrahisi ağına, nörozihin cerrahisi ufkunu da eklemektedir.
b. Berraklaştırma (Clarity): Berraklaştırma beyin dokusunun tamamen şeffaflaştırılarak beynin herhangi bir kesit alımına gerek kalmadan 3 boyutlu olarak ve bir bütün olarak görüntülenmesine olanak sağlayan bir yöntemdir. Bu yöntem yine optogenetik çalışmaları ile tanınan Karl Deisseroth ve ark. tarafından 2013 yılında Nature dergisinde yayınlanan makale ile ilk kez bilim dünyasına duyurulmuştur (Chung K. ve ark, Nature 2013).
Ultrahassas mikroskopik yöntemlere göre şimdilik çözünürlük açısından daha düşük kapasitede kalsa bile, beynin farklı bölgeleri arasındaki bağlantıları, nöronların uzanımlarını ve birbirleri ile olan bağlantısallıklarının görüntülenmesi açısından hem bütünsel hem de 3 boyutlu görüntü alınabilmesi nedeniyle büyük avantaja sahip bir yöntemdir. Beyindeki nöronların bağlantısal olarak haritalanması bu yöntemin keşfi ile hızlanmıştır.
Temel ilke
Yöntemin temel prensibi oldukça basit bir biçimde işlemektedir: Normalde beyin dokusunun içini mikroskop altında olduğu gibi görmemize engel olan biyolojik materyal hücre membranın yapısını oluşturan yağ dokusudur. Yağ molekülleri mikroskop altında ışığın hücre içine penetre etmesini zorlaştırmaktadır.
Deisseroth ve arkadaşlarının düşüncesi ise ‘Yağ dokusunun uzaklaştırılıp yerine ışığı tamamen geçiren bir molekül koyulabilir mi?’, ‘Bunu yaparken doku bütünlüğünü bozmadan tutabilir miyiz?’ olmuştur. Yağ dokusunun yerine hidrojel adını verdikleri şeffaf bir biyomolekül kullandılar ve bu molekül hücre içi ağ yapısının birbiri ile etkileşimini koruyarak sabit bir biçimde kalmasını sağladı ardından, klasik yağ çözücüler kullanılarak yağ molekülleri uzaklaştırıldı ve beynin şeffaf olması sağlandı. Şu anda en çok fare beyin dokusu ve dolayısıyla da sinir sisteminin görüntülenmesi amacı ile kullanılan bu yöntem, vücuttaki tüm doku türlerine uygulanabilir durumdadır.
Doku şeffaflaştırılması sadece görsel olarak beynin daha iyi görüntülerini almamıza yaramadı. Aynı zamanda etkileşim halindeki nöronları, onların bağlantılarını ve aktivitelerini gözlemleme olanağı sundu. Özellikle beynin hastalıklı dokularındaki yapısal değişiklikler doku şeffaflaştırması ile daha anlaşılabilir hale gelmiştir.
İlk olarak çalışılan ana konuların başında beyindeki nöral ağların haritalanması gelmektedir (Lerner TN ve ark, Cell, 2016). Korku, heyecan, endişe gibi farklı duygu durumlarında hangi nöronların ifadelendiğini göstermek için birçok çalışmada bu görüntüleme teknikleri kullanıldı (Adhikari A ve ark, Nature, 2015).
Bu teknikle elde edilen görüntülerde, daha önce kolaylıkla fark edemediğimiz birçok detayı da görebiliyoruz. Bunlardan birisi, otistik beyinlerden alınan örneklerde karşımıza çıkan “merdiven biçimli” sinaptik bağlantı örnekleri. Otizm benzeri davranış bozuklukları gösteren hayvanlarda da gözlenen bu patolojik yapı, hücrelerin birbirleri ile bağlantı kurmakta kullandıkları uzantıları arasında tekrarlı ve dönüşlü, ip merdivene benzer anormal bir bağlantı örüntüsünün varlığını gösteriyor.
Üstelik yukarıda bahsettiğimiz gibi sadece beyin dokusunda da değil, birçok farklı dokuda uygulamalar hücrelerin 3 boyutlu yerleşmesini daha iyi anlamamızı sağlamıştır. Örneğin, hematopoetik kök hücrelerin tibia ve femur kemiğinin içindeki yerleşimlerinin ve orada bulunan kök hücrelerin büyümesini ve farklılaşmadan kalmasını sağlayan çevrelerindeki diğer hücrelerin neler olduğu şeffaflaştırma yöntemleri ile anlaşılmıştır (Acar M, Nature, 2015).
Sonuç olarak sinir sistemi başta olmak üzere kompleks doku oluşumlarının görüntülenmesi ve yapılarının anlaşılmasında CLARITY yöntemi, nörozihin cerrahisinin hücresel hedeflerinin belirlenmesini mümkün kılacaktır. Gelecek hafta hücresel boyuttan çıkıp beyni bir bilgi işleme sistemi olarak ele alacağız.
Prof. Dr. Türker Kılıç
Bahçeşehir Üniversitesi, Tıp Fakültesi Dekanı
Bu yazı HBT'nin 126. sayısında yayınlanmıştır.
