OPTOGENETİK VE NÖROPSİKİYATRİ: IŞIK VE GENETİK İLE NÖRAL BAĞLANTILARIN KONTROLÜ

Nöronları bir kumandayla kontrol ediyormuş gibi açıp kapatabildiğimizi hayal edin. Zihnin işleyişini anlamak, beyindeki hangi nöron koleksiyonlarının hangi işlevleri yürüttüğünü belirlemek, psikiyatrik ve nöronal hastalıkların sebebini anlayıp çözüm üretmek için mükemmel bir fırsat olmaz mıydı?

O zaman size iyi bir haber vereyim. Artık optik ve genetik ile beyin hücrelerini araştıran bir bilim dalı olan optogenetik sayesinde bilim insanları bunu yapabiliyor.

1970’lerden 2000’lere kadar, dünyanın dört bir yanındaki biyofizik laboratuvarları, mikrobiyal opsinler adı verilen ve yüklü iyonları zarlardan geçirerek ışığa tepki veren çeşitli protein ailelerini birer birer tanımladılar (1-4). Tek hücreli mikroplar, proteini beyin sinyallerini iletmek yerine ışık kaynaklarına göre hareketlerine rehberlik etmek gibi başka amaçlar için kullansalar da, zar boyunca ortaya çıkan yük değişikliği, bir nöron ateşlendiğinde ortaya çıkan yük değişikliğine benzer değerlerdeydi. Ardından 2005 yılında araştırmacılar, bu opsinlerden birini farelerden çıkarılan beyin hücrelerine entegre ederek, hücreleri ışığa maruz bıraktıklarında hassas zamanlama ile ateşlenmeye zorlayabileceklerini keşfettiler (5). 2007’ye gelindiğinde ise bu teknoloji, farelerin davranışlarını hassas bir şekilde kontrol etmek için uyarlanmıştır. (6, 7). O zamandan beri, akteriorhodopsin, halorhopsin ve channelrhodopsin gen ailelerinin üyeleri de dahil olmak üzere birçok ilgili protein tasarlandı ve nöronları milisaniye zamanlamayla açıp kapamak için bu proteinlerin işe yaradıkları gösterildi (8-10).

Tekniğin erken davranışsal uygulamaları, fareleri belirli kolayca gözlemlenebilir şekillerde hareket etmeye teşvik etmek için kullanıldı ve işe yaradığı gözlemlendi. Optogenetik sayesinde farelerde  uyanma (7) veya ışık parladığında (11) bir daire içinde dönme gibi davranışların gerçekleştirilebildiği tespit edilirken son on yılda optogenetik, nöropsikiyatrik bozukluklara neyin neden olduğu ve beyin hastalıklarının nasıl tedavi edilebileceği hakkında klinik olarak önemli birçok sorunun yanıtlanmasına yardımcı oldu.

Araştırmacılar, optogenetik kullanarak farelerin beyinlerindeki bir dizi nöronu açıp kapattıklarında, hayvanların kaygı seviyelerinin değiştiğini gördü ve bu hücrelerin kaygıya aracılık etmekteki önemini ortaya çıkardı (12). Başka bir çalışmada ise farklı nöron türlerini aktive etmek, kemirgenlerde Parkinson hastalığının semptomlarını ortay çıkardı ve ardından semptomlar bilim insanları tarafından yine optogenetik sayesinde hafifletildi. (13, 14). Yine bir başka çalışmada farelerde yemek yeme davranışının kontrol altına alınarak aç bir farenin daha az besin tüketmeye eğilimli olması, yeterince beslenmiş bir farenin ise doyumsuzluk yaşamasının bu yöntem ile sağlanabileceği görüldü. Bir başka çalışma örneğinde ise bağımlılıkla ilgili olduğu bilinen bazı nöronlar optogenetik kullanılarak kapatıldığında, kemirgenlerin kokaine olumlu yanıt vermesi engellenebildi veya – zaten kokain bağımlısıysa – uyuşturucuyu aramaya son vermesi sağlandı. (15, 16).

Bu, örnekler optogenetik alanında yapılan ve yapılabilecek olan çalışmaların sadece birkaçı. Optogenetik bir bilim dalı ve araştırma yöntemi olarak hızla büyümeye devam ediyor ve bu alanda çalışma yapan bilim insanları, hücresel süreçleri kontrol etmek için ışığın kullanımının önümüzdeki yıllarda çoğu sorunun kökeninin anlaşılması, hastalıklara tedavi geliştirilmesi gibi konularda uygulanmaya devam edeceğini öngörüyorlar. 

Optogenetik gelecekte bilim dünyası, nörobilim ve nöropsikiyatri alanı için çığır açacak çalışmalarda bilim insanları için vazgeçilmez bir yöntem olacak gibi görünüyor.

Bu Yöntem Nasıl Uygulanıyor?

Belirlenen bir opsine ait genin istenilen hedef dokuya transfeksiyonuna kadar süreç şu şekildedir;

• Öncelikle hedeflenen genin izole edilmesi gerekir. Bu izolasyon işlemi için hedeflenen gen tespit edilmeli ve yalıtılmalıdır.
• Ardından izole edilen gen elde edilir ve PCR ile çoğaltılır. Çoğaltılan genin vektöre aktarılması için ‘elektroporasyon’ tekniği kullanılır.

(Elektroporasyon, hücrelere veya dokulara kısa zamanlı cok kuvvetli elektrik akımı uygulayarak, hücre zarında nanometre boyutunda gecici porlar olusturulması islemidir. Bu gecisken durumda zar, hücrelere. DNA, enzim, antibodi ve diger makromolekül gecisine izin verir.)

• Virüs aracılı gen aktarımı için virüs, istenilen nöron bölgesine enjekte edilerek hedef bölgenin transfeksiyonu sağlanır.
• Fiberoptik kablo ve elektrot takılır.
• Aydınlatma sonucunda iyon kanalı açılır.
• Aksiyon potansiyeli oluşur.
• Elektrofizyolojik değişiklikler kaydedilir.
• Davranış değişiklikleri gözlemlenir.

Bu alanda çalışan bilim insanları, şu an insan davranışlarının ışık ile kontrol edilmesini sağlayan bir genetik mühendisliği yapmadıklarını ve tekniği tamamen beynin işleyişini anlamak için araştırma amaçlı kullandıklarını ifade ediyorlar. Ancak şu da bilinen bir gerçek ki, bilimsel  araştırmaların tek sebebi insanın merakını dindirmek olamaz ve mutlaka bu çalışmalar beraberinde uygulamayı (tedavi vb. için) getirir. Şunu da belirtmekte fayda var; optogenetik literatüre girdikten sonra Nature dergisi tarafından yılın metodu seçiliyor ve henüz çok yeni bir metot olmasına rağmen bugün dünyada 800’ün üzerinde yeni optogenetik çalışma merkezleri bulunuyor. Üstelik gün geçtikçe bunlara yenileri ekleniyor. Bilim dünyası ve bilimin kıymetinin farkında olan ülkeler bu alanın getirebileceklerini çok hızlı şekilde görerek çalışmalara da titizlikle hemen başladı.  Beyin hakkında merak ettiğimiz sorunların cevaplanmasını sağlayabilecek bu ve bunun gibi yeni yöntemlere bizler de geleceğin bilim insanları olarak şimdiden kendimizi hazırlamalıyız.

KAYNAKÇA:

1. Oesterhelt D, Stoeckenius W (1971) Rhodopsin-like protein from the purple membrane of Halobacterium halobium. Nat New Biol 233(39):149–152.
2. Matsuno-Yagi A, Mukohata Y (1977) Two possible roles of bacteriorhodopsin; A comparative study of strains of Halobacterium halobium differing in pigmentation. Biochem Biophys Res Commun 78(1):237–243.
3. Harz H, Hegemann P (1991) Rhodopsin-regulated calcium currents in Chlamydomonas. Nature 351(6326):489–491.
4. Nagel G, et al. (2002) Channelrhodopsin-1: A light-gated proton channel in green algae. Science 296(5577):2395–2398.
5. Boyden ES, Zhang F, Bamberg E, Nagel G, Deisseroth K (2005) Millisecond-timescale, genetically targeted optical control of neural activity. Nat Neurosci 8(9):1263–1268.
6. Aravanis AM, et al. (2007) An optical neural interface: In vivo control of rodent motor cortex with integrated fiberoptic and optogenetic technology. J Neural Eng 4(3):S143–S156.
7. Adamantidis AR, Zhang F, Aravanis AM, Deisseroth K, de Lecea L (2007) Neural substrates of awakening probed with optogenetic control of hypocretin neurons. Nature 450(7168):420–424
8. Zhang F, et al. (2011) The microbial opsin family of optogenetic tools. Cell 147(7):1446 1457.
9. Deisseroth K (2011) Optogenetics. Nat Methods 8(1):26–29.
10. Packer AM, Roska B, Häusser M (2013) Targeting neurons and photons for optogenetics. Nat Neurosci 16(7):805–815.
11. Gradinaru V, et al. (2007) Targeting and readout strategies for fast optical neural control in vitro and in vivo. J Neurosci 27(52):14231–14238.
12. Tye KM, et al. (2011) Amygdala circuitry mediating reversible and bidirectional control of anxiety. Nature 471(7338):358–362.
13. Kravitz AV, et al. (2010) Regulation of parkinsonian motor behaviours by optogenetic control of basal ganglia circuitry. Nature 466(7306):622–626.
14. Gradinaru V, Mogri M, Thompson KR, Henderson JM, Deisseroth K (2009) Optical deconstruction of parkinsonian neural circuitry. Science 324(5925):354–359.
15. Witten IB, et al. (2010) Cholinergic interneurons control local circuit activity and cocaine conditioning. Science 330(6011):1677–1681.
16. Stefanik MT, et al. (2013) Optogenetic inhibition of cocaine seeking in rats. Addict Biol 18(1):50–53.
17. https://www.biomedya.com/optogenetik
18. Williams, S., & Deisseroth, K. (2013). Optogenetics. Proceedings Of The National Academy Of Sciences, 110(41), 16287-16287. doi: 10.1073/pnas.1317033110