Optogenetik Nedir? Beyni Işıkla Kontrol Etmek Mümkün mü?

Optogenetik, hücrelerin aktivitesini, ışık kullanılarak özel olarak kontrol edilmelerini sağlar. Nörobiyoloji alanında, nöral aktiviteyi manipüle etmek için ışık ("optik") ve genetik mühendisliğini birleştiren, nispeten yeni bir tekniktir. Genel olarak, görünür ışık darbeleri kullanarak ışığa duyarlı proteinler ("opsinler") ile nöronların transfekte edilmesi ve seçilen nöronları aktifleştirilmesi veya susturulmasıdır.

Optogenetiğin ortaya çıkışı, sinirbilim çalışmalarımızda bir nevi devrim yarattı. Önceden, bilim insanları için belirli fizyolojik tepkilerde ve davranışlarda yer alan nöral yolları belirlemek zordu. Lezyonlar, farmakolojik ajanlar, görüntüleme veya elektriksel stimülasyon gibi alternatif yöntemler, optogenetik araçlarla elde edilebilecek zamansal ve anatomik kesinlikten yoksundu.

2010'da Nature, optogenetiği "Yılın Yöntemi" olarak ilan ederken, Science bunu "Son On Yılın Atılımları"ndan biri olarak sınıflandırdı. Peki optogenetik neden bu kadar heyecan yarattı?

Nöronlar Birbirleriyle Nasıl İletişim Kurarlar?

Nöronlar, elektriksel ve kimyasal aktivitenin kombinasyonu aracılığıyla iletişim kurar. Bunu ilk kez keşfeden bilim insanları, bu gerçeği, gözlemleri ve zekice yaptıkları deneyler sayesinde keşfetmeyi başardılar.

Galvani ve Kurbağa Deneyi

1700'lerin sonlarında, Luigi Galvani adında bir İtalyan bilim insanı, şimşekli bir fırtına sırasında bir pazarda yürüyordu. Satılık kurbağa bacağı gördü ve seğirdiğini fark etti. Fırtınanın elektriğinin kurbağa bacağındaki sinirleri harekete geçirdiği hipotezinden yola çıkarak, bunu laboratuvarında test etmeye karar verdi. Galvani, kurbağa sinirine bir elektrik akımı iletmek için elektrot adı verilen elektrik akımının akmasına izin veren bir nesne kullandı. Bu, kurbağa bacağının seğirmesine neden oldu. Böylelikle, küçük bir elektrot yerleştirip dokuya bir elektrik akımı göndererek nöronları veya sinir yollarını aktive etmeye yönelik nörobilimdeki ilk elektriksel stimülasyon çalışması gerçekleştirilmiş oldu.

Bu deneyden yola çıkan Galvani, nöronların bilgi iletmek için elektrik sinyallerini kullanabileceği sonucuna vardı. Bunu bilmek önemlidir! Çünkü artık nöronların birbirleriyle nasıl iletişim kurduğunu bildiğimize göre, onların dilini konuşmaya başlayabiliriz. Bazı nöronları çalıştırmak için elektrik sinyallerini kullanabilir ve olacakları gözlemleyebiliriz.

Penfield ve Beyin Bölgeleri

1930'lara kadar elektriksel stimülasyon, insan beyninin haritasını çıkarmak için bir teknik olarak kullanılmadı. Fakat yıllar sonra bir epilepsili hastalarla çalışan beyin cerrahı olan Dr. Wilder Penfield bu tekniği tekrar gün yüzüne çıkardı. Epilepsi, beyinde anormal elektrik sinyallerine neden olur ve çok tehlikeli olabilir. Aşırı durumlarda, epilepsiyi durdurmak için beyin ameliyatı gerekir. Dr. Penfield, beynin hangi bölümlerinin en önemli olduğunu bulmak için hastalarının beyinlerini haritalandırmak istedi. Bu sayede, hangi beyin bölgelerini ameliyat etmemesi gerektiğini bilecekti.

Beynin haritasını çıkarmak için, tıpkı Galvani'nin yaptığı gibi elektriksel stimülasyonu kullandı. Küçük bir elektrotu beynin motor (hareket) bölgelerine indirdi. Ardından küçük bir elektrik sinyali göndererek hastanın hareketlerini gözlemledi. Beynin bir bölgesindeki stimülasyon parmak seğirmesine neden olurken, beynin farklı bir bölgesindeki stimülasyon ayak seğirmesine neden oluyordu. Bu, Dr. Penfield'in beynin belli bölgelerinin vücudun spesifik alanlarını kontrol ettiğini fark etmesine yol açtı. Dr. Penfield, tüm hastalarında beynin motor bölgelerinin konumunun benzer olduğunu fark etti. Bunun sonucunda bize insan beynindeki motor alanların ilk işlevsel haritasını veren diyagramları ortaya çıkardı. Dr. Penfield'ın "homunkulus" olarak bilinen işlevsel haritaları bugün hala kullanılmaktadır.^[1]

Institute for Creativity

Optogenetiğin Ortaya Çıkışı

1930'lardan bu yana beyin stimülasyon deneyleri de değişti. Elektrik stimülasyon çalışmalarının bazı dezavantajları söz konusuydu. Bunlardan biri, elektrot yerleştirildiğinde beynin hasar görmesiydi; diğer bir problemse, elektrik stimülasyonunun dokuyu seçici olmayan bir şekilde aktive etmesiydi. Bu, bir kürek yeterli olduğunda bir buldozer kullanmak gibidir: Buldozer etkilidir, ancak çok hassas veya dikkatli değildir. 2005 yılında, daha hassas beyin stimülasyonu sağlamak amacıyla için yeni bir teknik ortaya çıktı. İşte bu yöntem, bu yazımızın konusu olan optogenetik idi.^[2]

Francis Crick, 1979 tarihli bir makalesinde, sinirbilimcilerin karşı karşıya olduğu en büyük zorluk olarak gördüğü şeyin, nöronları incelerken diğerlerinde değişiklik yaratmadan kontrol etme ihtiyacı olduğunu açıkladı.^[3] Elektrik stimülasyonu bunu yapamaz, çünkü yakınındaki tüm hücreleri ayrım yapmadan stimüle eder. İlaçlar ise beyindeki olayları milisaniyelik zaman çerçevesiyle değerlendirildiğinde etki edemeyecek kadar yavaştır. Crick, ışığın çok hızlı açılıp kapatılabileceği için bu sorunu çözebileceğini öne sürdü. Ancak o zamanlar beyin hücrelerini ışığa duyarlı hale getirmenin bir yolu bilinmiyordu.

Yıllar önce (başlangıçta, konumuzla tamamen ilgisiz bir araştırma kapsamında), bakteriorodopsin, mikrobiyal tek bileşenli, "ışıkla aktive olan bir iyon pompası" olarak tanımlanmıştı. Ardından gelen yıllar boyunca binlerce makale üzerinde yapılan çalışmalar, yalnızca bakteriorodopsinin daha derinden anlaşılmasını sağlamadı, aynı zamanda pompa ve kanallarla ışığa duyarlı iyonları zar boyunca taşıyan mikrobiyal opsin ailesinin birçok yeni üyesinin keşfedilmesine de yol açtı.^[4]

Bu iki kavramın sinirbilimciler tarafından bir araya getirilmesi ise onlarca yıl aldı. 2005 yılında, Karl Deisseroth ve meslektaşları, "Milisaniyelik Zaman Ölçeği, Genetik Olarak Hedeflenen Nöral Aktivitenin Optik Kontrolü" adlı çığır açan makalelerini yayınladılar.^[5] Nature dergisinde yayınlanan bu makale, optogenetiği, nöronları ışığa duyarlı hale getiren ve ardından onları uyarmak için ışık kullanan bir strateji olarak tanımlayan ilk araştırma makalesiydi. Makale, optik teknolojileri ve genetikteki atılımları birleştirerek, araştırmacıların beyindeki belirli nöronları aktive/inhibe etmenin ve bunun sonuçlarını incelenmesinin nasıl mümkün olduğunu gösterdi.^[6]

Optogenetik Nasıl Çalışır?

Aslında optogenetiğin nasıl çalıştığının öyküsü, basit bir yeşil alg olan Chlamydomonas reinhardtii (Su Yosunu) ile başlıyor. Bu basit organizma, yaşamak için ihtiyaç duyduğu enerjiyi fotosentez yoluyla üretir. Bu süreci mümkün olduğunca verimli hale getirmek için noktasal bir göze sahiptir. Hücrenin ışığa duyarlı bu kısmı, tek hücreli alge ışığın hangi yönden geldiğini söyler, böylelikle daha verimli bir konuma geçebilir. Gözü etkinleştirmek için C. reinhardtii, iyonları iyon kanalları aracılığıyla bir zar boyunca hareket ettirir. Doğru dalga boyundaki ışık bu iyon kanallarına çarptığında şekillerinde bir değişikliğe neden olur.

Optogenetiğin, ışık ve genetik mühendisliği kullanarak bir nöronun aktivitesini kontrol etmek için bir yöntem olduğunu söylemiştik. Optogenetik çalışmalarda bilim insanları, incelemek istedikleri nöronların genetik kodunu alır ve ona yeni bir kod parçası ekler. Eklenen yeni kod, bu nöronların yeşil alglerde de üretilen ışığa duyarlı opsin adı verilen özel proteinler üretmesine izin verir. Tabii ki bu, bazı özel laboratuvar teknikleri gerektirir.

Örneğin bir fareyi ele alalım. Bir farenin nöronlarına opsin koymak için, opsine karşılık gelen genetik kod, faredeki nöronların genetik koduna dikkatlice yerleştirilmelidir. Bu işlemin doğru yapıldığını varsaysak bile, bu sefer de faredeki her nöron opsine sahip olmuş olur. Fakat farenin genetik kodu hakkında artık çok şey bildiğimiz için, opsini nereye koyacağımızı seçebiliriz. Kodu belirli bir nöron tipine veya beyindeki belirli bir bölgeye yerleştirebiliriz. Tam olarak hangi nöronları kontrol etmek istediğimize karar verebiliriz.

Optogenetikte en sık kullanılan iyon kanalı Channelrhodopsin-2'dir. Bu opsin, yukarıda bahsettiğimiz yeşil alg Chlamydomonas reinhardtii'den gelir. ChR2, mavi ışıkla etkinleştirilir, yani yalnızca mavi ışık parladığında çalışır ve diğer ışık türlerine asla yanıt vermez. ChR2 nöronlara yerleştirildiğinde, yalnızca üzerlerine mavi ışık tutulduğu sürece açık olacaktır. Bu bize nöron aktivitesinin zamanlaması üzerinde kesin bir kontrol sağlar. Normalde nöronlar mavi ışıktan etkilenmez, bu nedenle sadece ChR2'ye sahip nöronlar mavi ışıktan etkilenir.

Hedef Dokuda Opsin Gen İfadesi Nasıl Sağlanır?

Opsinleri canlı hücrelere sokmak için DNA transfeksiyonu, elektroporasyon ve transgenik ekspresyon sistemleri dahil olmak üzere çeşitli teknikler mevcuttur. Beyinde viral aracılı gen aktarımı, beyin dokusunun farklı bölgelerini hedefleyebilme olanağı nedeniyle çoğu sinirbilimci için tercih edilen bir yöntem haline geldi.

Bu yöntemde, beyine iyon kanallarını iletebilmek için genetiği değiştirilmiş bir virüs yapılır. Bu virüs, beynin bir bölgesine enjekte edildiğinde, DNA'sını konakçı hücrelerin DNA'sı ile birleştirebilir. Bu birleşmeden sonra, iyon kanalı geninin ifade edilmesi için gerekli tüm hücre dinamikleri mevcuttur ve artık hücre, hücre zarı üzerindeki iyon kanallarını üretmeye başlayacaktır.

Viral vektör oluşturulduktan sonra, virüsü beyindeki hedef bölgeye ulaştırmak için genellikle mikroenjeksiyon kullanılır. Virüs daha sonra lokalize nöronları enfekte edecek ve opsini bölgeye iletecektir.^[7]

Wikimedia

Işık Kaynağı Olarak Ne Kullanılır?

Mikrobiyal opsin bölgeye ulaştıktan sonra, bilgisayar kontrollü bir ışık kaynağının beynin istenilen bölgesine tutulması gerekir. Lazerler hem dar bant genişliğine sahip ışığın uygulanmasına izin verdikleri (birden fazla opsin ile multimodal optik kontrolü kolaylaştırdığı), hem de optik fiberlere verimli bir şekilde bağlanabildikleri için optogenetikte yaygın olarak kullanılmaktadır. Işık yayan diyotlar (LED'ler), düşük maliyetleri ve çeşitli renk seçeneklerinin dar spektral ayarlamaları nedeniyle optik stimülasyon için iyi bir diğer seçenektir. Son gelişmelere baktığımızda, LED'leri hedeflenen alanlara uygulayan ve kablosuz başa takılan cihazların ortaya çıkışı hayvanlara daha fazla hareket özgürlüğü vermektedir.^[8]

Optogenetik Haritalandırma: Beynin Haritasını Çıkarmak...

Beynin bağlantılarını daha iyi anlamak için nöronlar ve kortikal bölgeler arasındaki hem yapısal hem de işlevsel bağlantıların haritasını çıkarmak oldukça önemlidir. Son yıllarda, nöral sistemlerin seçici manipülasyonuna ve araştırılmasına izin veren bir dizi optogenetik araç geliştirilmiştir. Bu araçlar, uyarılan hedefler ve diğer beyin bölgeleri arasındaki fonksiyonel bağlantıların haritalandırılmasını sağlamıştır. Opsinleri ifade eden beyin bölgelerini davranışsal veya duyusal süreçlerden bağımsız olarak istediğimiz şekilde uyarabilmek optogenetik tekniğinin en önemli avantajlarından biridir. Bu sayede beyin haritalandırılmasına olanak sağlar. Şu anki çalışmalar, fare beynini haritalandırmak için birkaç farklı şekilde kullanılmaktadır.^[9]

Nasıl ki bir şehrin yol haritasına baktığımızda, ana karayollarını görmek için uzaklaştırabiliyorsak veya tek bir şehir bloğunu görmek için haritayı yakınlaştırabiliyorsak, aynı şekilde beyni de yakınlaştırıp uzaklaştırabiliriz. Bu büyük resim, beyinde bir bilginin uzun mesafeler boyunca nasıl yol aldığını veya beynin hangi bölgelerinin birbirine bağlı olduğunu araştırıyorsak önemlidir. Örneğin, büyük şehirlerde çok fazla otoyol geçiyor çünkü birçok insan bu şehirlere gidip geliyor. Bir beyin bölgesini uyararak diğer beyin bölgelerindeki tepkileri kaydetmek için optogenetiği kullanırsak, beynin hangi bölgelerinin en yoğun trafiğe sahip olduğunu bulabiliriz. Bu, hem belirli davranışların nasıl üretildiğini anlamak için, hem de beynin belli bir alanı hasar görürse ne olacağını anlamak için çok değerlidir. (Örneğin, dördüncü sokakta bir kaza olursa, trafik nasıl yeniden yönlendirilecek?).

Her bir nöronun nasıl bağlandığını görmek için de beyni yakınlaştırabiliriz. Bazı nöronları uyarmak için ışığı kullanıp diğer nöronların buna yanıtını kaydederek nöronların birlikte nasıl çalıştığını araştırabiliriz. Bu ayrıntılı görüntü, nöronların birbirleriyle nasıl ve ne zaman iletişim kurduğunu anlamak için yararlıdır. Böylece sadece belli bir bölgedeki nöronlar arasında iletişimi bozan hastalıkları araştırabiliriz. Örneğin, felç (inme) böyle bir bozukluktur.

Optogenetik haritalandırma, beynin nasıl çalıştığını araştırmak için birçok seçenek sunar. Optogenetik teknikler geliştikçe ve daha fazla opsin oluşturuldukça veya keşfedildikçe, beyin stimülasyon çalışmalarında daha da fazla kontrol olasılığı oluşur. Belki de aynı anda birkaç farklı nöron tipini kontrol etmek için birden fazla opsin kullanabileceğiz. Her opsin belirli bir ışığa tepki verdiğinden, farklı nöron türlerini kontrol etmek için farklı ışıkları kullanabiliriz.

Şehir trafik haritası örneğimize dönecek olursak, arabaların hareketini kontrol etmek için birden fazla sinyal kullanabiliriz. Bir sinyal verdiğimizde (örneğin, mavi ışık) belli arabaların yola çıkmasını veya farklı bir sinyal verdiğimizde (örneğin, bir kırmızı ışık) seçtiğimiz başka arabaların yola çıkmasını sağlayabiliriz. Bu düzeneği kullanarak, şu denenebilir: Önce kırmızı ışıklı arabalar giderse ne olur? Mavi ışıklı arabalar önce giderse ne olur? Aynı anda giderlerse ne olur? Bu arabaların birbirleriyle nasıl etkileşime girdiğini anlamamızı sağlayacaktır.^[2]

RODNAE Productions

Optogenetikte Güncel Gelişmeler

Sinirbilimciler, 2005 yılından beri optogenetik kullanmayı sürdürüyorlar.^[10] O zamandan beri, nöronların iletişimlerinden tutun; beyin bölgeleri arasındaki etkileşimlere kadar beyni birçok farklı bakış açısından incelemek için kullanıldı.

Optogenetik yöntemler, fizyoloji, patoloji, davranışsal süreçler, duygulanım, biliş ve eylem alanlarını kapsayan geniş bir soru yelpazesine ilişkin içgörü edinilmesini sağlamıştır.^[11] Bu çalışmaların çoğu memelilerde (tipik olarak sıçanlar ve fareler) yapılmış olsa da, optogenetik yöntemler omurgasızlarda davranışın sinirsel temellerini inceleyen ekipler için standart bir kaynak haline gelmiştir.

Örneğin:

• Nöronal devrelerin fizyolojik fonksiyonlarının araştırılması^[11]
• Sosyal davranışların incelenmesi^[12]
• Psikiyatrik bozuklukların patofizyolojiside yer alan nöronal devrelerin ortaya çıkarılması (Anksiyete, Depresyon, Obsesif Kompülsif Bozukluk, Şizofreni, Bağımlılık vb.)^[13]
• Nörolojik hastalıkların tanı ve tedavisi (Parkinson Hastalığı^[14], Epilepsi^[15], Uyku Bozuklukları^[16], Dejeneratif Hastalıklar^[17] vb.)
• Beyin haritalandırılması^[9]
• Kör bir hastada görme fonksiyonunun kısmi iyileşmesi^[18]
• Opioid reseptörleri üzerinden ağrı giderilmesi^[19]
• Belli beyin bölgelerin uyarılması ile belli hareketlerin meydana getirilmesi^[20]
• Kaybolan anıları yerine getirme^[21]

ve bunlar gibi nice çalışmalara yepyeni bir soluk getirmiştir. Bundan sonra da bilimin en önemli araçlarından biri olmaya devam edecektir.