Epilepsi hastalarının kontrolden çıkmış nöron ateşlemelerini elektrikle denetlemek bilimciler tarafından çok uzun zamandır kullanılan bir yöntem. MIT’de bu konuda yoğun çalışmalar sürdüren bilimciler, elektrik kullanmadan nöron etkinliğini susturabilmenin başka bir yolunu buldular.

MIT’de bu konuda çalışmalarını sürdüren Sentetik Sinirbilim Grubu’nu yöneticisi sinirbilimci Edward Boyden ve takımı, nörona gönderildiğinde davranışını sarı-yeşil ışıkla kontrol edebildikleri bir proteini keşfettiler. Üstelik bu protein sayesinde, elektriksel olarak kontrolden çıkmış nöronlara anında müdahele edilebiliyor ve etkisi de hızlıca geri alınabiliyor.

Böyle bir seçici beyin sessizleştirme araştırması, yalnızca hastaları iyileştirmek için değil, aynı zamanda normal bir beyindeki farklı tip nöronların ve izlediği yolların da keşfine dair önemli bir adım olarak kabul ediliyor.

MIT Media Lab’te the Benesse Kariyer Gelişimi profesörü ve aynı zamanda McGovern Beyin Araştırmaları Enstitüsü üyesi olan Boyden, “Beyin etkinliğini kontrol edebilen çok çeşitli moleküler araçlar bulmak istiyoruz. Böylece beynin görevleri üzerine çalışırken, yeni oluşacak tedavi araçları ve yöntemleri kullanabiliriz.” diyor.

‘Temiz ve sayısal’

Boyden beyin aktivitelerini azaltmak için ışığın kullanılabileceğini ilk kez 2007 yılında kanıtladı. Fakat deneyler canlı hayvanlar değil, yalnızca hücreler üzeride yapılıyordu ve sessizleştirme de bu kadar belirgin değildi. Boyden yeni çalışmalarında, nöronları hızlı ve belirgin olarak engelleyebilen farklı bir protein kullanmayı denedi. Bu proteinin en önemli farkı, ışıkla uyarıldıktan milisaniyeler sonra orijinal durumuna geri dönebiliyor olmasıydı.

Arch ismindeki bu yeni proteinin beyin susturma sürecini Boyden “İnanılmaz temiz ve sayısal” olarak nitelendiriyor. “Bir önceki çalışmalarımız, daha çok sesini kısabildiğimiz bir düğme gibiydi”, diye ekliyor.

Boyden ve çalışma arkadaşları, genetik ve optik tekniklerini bir araya getirerek nöron etkinliklerini kontrol edebilecek bir yöntem arayışındaydı ve bu stratejiyi de ‘optogenetik’ olarak tanımladılar. Öncelikle, canlı bir farenin beyin hücrelerini Arch proteni oluşturabilecek genetik bir yapıya dönüştürdüler. Proton pompası gibi çalışan bu protein, hücre zarını geçerek içerideki voltajı değiştirebiliyor. Işığa duyarlı olan bu proteinler, sarı-yeşil ışıkla etkinleştirildiğinde protonları hücre dışında pompalayarak hücre içindeki voltajı düşürebiliyor. Böylece nöron ateşlenmesi susturulabiliyor.

Bir önceki çalışmalarında ışığa hassas klorür pompası ‘halorhodopsin’ kullanan araştırmacılar, klorür iyonlarını hücre içine pompalayarak voltajı azaltmayı başardılar. Fakat çalışmalar yeterince tatmin edici olmamış ki, bakteriler, mantarlar ve bitkilerde daha etkili olabilecek bir protein arayışına başlandı. Çalışmaları süresince araştırmacılar daha etkili bir klorür pompasına rastalamasalar da, Ölü Deniz’de yaşayan ve bir arkeobakteri türü olan ‘Halorubrum sodomense’ ile yeni Arch proton pompasını keşfettiler.

Boyden konuyla ilgili, “Bu doğadaki zenginliğin, genetik çeşitliliğin ve ekolojik farklılıkların bir sonucudur. Yeni araçların keşfi aynı zamanda bilimcilerin beyin gibi karmaşık sistemler üzerine çalışmasına da olanak sağlar. Bizler, nöron devrelerini anlamak için vahşi doğadan izole edilmiş doğal araçları kullanıyoruz.” açıklamasını yaptı.

Yeni protetin pompasındaki en önemli avantaj, tekrar tekrar kullanılabiliyor olması. Dakikalar değil, saniyeler içerisinde etkinleşebiliyorlar. Salk Enstitüsü’nde nörobiyoloji profesörü olan Edward Callaway, belirli hücre tiplerinin farklı görevler sırasındaki rollerini çalışmak için sinirbilim açısından kritik bir adım atıldığını düşünüyor.

Görsel işlem devreleri üzerine çalışan Callaway, “Hücrenin eski haline dönmesi için çok uzun beklenildiğinde, farklı durumları hızlıca karşılaştırabilmek mümkün olmuyordu.” diyor. Yeni kanallar, optogenetik çalışmaları yapmak çok daha pratik çözümler sunuyor.

Boyden’ın ekibi şu sıralar MIT’deki McGovern Enstitüsü Desimone Laboratuvarları’nda primatlar üzerinde deneyler yaparak, çalışmaların epilepsi hastaları, kronik ağrı ve travma sonrası stres bozukluğu yaşayanlar üzerinde kullanılabilirliğini araştırıyor.

Gelecek çalışmalarında araştırmacılar nöron susturma araçlarını bilincin ve duyguların sinirsel devrelerini ortaya çıkarmak için kullanmayı planlıyor. Maymunlar üzerinde yaptıkları araştırmalar olumlu sonuç verirse, beyinle ilgili birçok sorun optik araçlarla çözümlenebiliyor olacak.

Ed Boyden’in Ulusal Bilim Vakfı ile birlikte yürüttüğü çalışmasına dair konuşmasını dinleyin:

Audio clip: Adobe Flash Player (version 9 or above) is required to play this audio clip. Download the latest version here. You also need to have JavaScript enabled in your browser.

Audio clip: Adobe Flash Player (version 9 or above) is required to play this audio clip. Download the latest version here. You also need to have JavaScript enabled in your browser.

Bu yazı Bilim ve Teknik dergisinde yayınlanmıştır. Tüm hakları Bilim ve Teknik dergisine aittir.