Üç bilim insanının çalışmaları, canlı bir beynin içindeki belirli sinir hücrelerinin ışık aracılığıyla açılıp kapatılmasını mümkün hâle getirdi. Bu yöntem sayesinde araştırmacılar, yalnızca beynin hangi bölgelerinin belirli bir davranışla ilişkili olduğunu gözlemlemek yerine, tek tek sinir hücrelerinin veya sinir hücresi gruplarının davranış üzerindeki etkisini doğrudan test edebiliyor. Nobel Komitesi tarafından da vurgulandığı üzere optogenetik, beynin anatomik bir haritasını çıkarmanın ötesine geçerek hangi hücrenin ne yaptığını ve hangi sinir ağlarının belirli anıların, duyguların veya davranışların oluşmasında rol oynadığını inceleme imkânı sağlıyor.
Optogenetik nedir ve nasıl çalışıyor?
Bu yöntemin temelinde "channelrhodopsin" adı verilen ışığa duyarlı proteinler bulunuyor. Araştırmaların başlangıcı ise insan beyninden oldukça uzak bir canlıya, Chlamydomonas adlı yeşil alga dayanıyor. Peter Hegemann, bu algin ışığa doğru hareket etmesini sağlayan mekanizmayı araştırırken, hücredeki göz lekesinin ışığa duyarlı bir protein içerdiğini ortaya çıkardı. Bu protein, ışığı neredeyse anında elektriksel bir sinyale dönüştürerek algin ışığın yönünü algılamasını sağlıyordu. Georg Nagel ve Peter Hegemann daha sonra bu ışığa duyarlı proteinlerin nasıl çalıştığını ayrıntılı biçimde inceledi. Channelrhodopsin olarak adlandırılan bu proteinlerin hücre zarında bir kanal görevi gördüğü ve mavi ışığa maruz kaldıklarında yüklü parçacıkların, yani iyonların hücrenin içine geçmesine izin verdiği ortaya çıktı. İyonların hücre içine akışı, hücrenin elektriksel durumunu değiştirerek bir elektriksel sinyal oluşturuyordu. Sinir hücreleri de zaten elektriksel sinyaller üzerinden iletişim kurduğu için bu keşif, ışığın doğrudan sinir hücrelerinin faaliyetini kontrol etmek için kullanılabileceği fikrinin önünü açtı.
Araştırmacılar daha sonra channelrhodopsin üretmesini sağlayan genetik talimatları farklı hücrelere aktardıklarında, normalde ışığa duyarlı olmayan bu hücrelerin ışığa tepki vermeye başladığını gösterdi. Böylece ışığa duyarlı proteinler, biyolojik sistemlerde kullanılabilecek bir tür "açma-kapama düğmesine" dönüştürülebiliyordu.
Karl Deisseroth ise bu yaklaşımı sinir hücrelerine uygulayarak optogenetiğin bugün bildiğimiz hâline gelmesini sağlayan çalışmalara öncülük etti. Deisseroth ve ekibi, channelrhodopsin genini sıçanların sinir hücrelerine aktararak bu hücrelerde ışık kullanılarak elektriksel sinyaller oluşturulabileceğini gösterdi. Bunun ardından yöntem, farelerin beyinlerindeki sinir hücrelerinde uygulanmaya başlandı.
Buradaki en önemli noktalardan biri, araştırmacıların beynin tamamını aynı anda etkilemek yerine belirli sinir hücrelerini hedefleyebilmesiydi. Örneğin Deisseroth ve çalışma arkadaşları, farelerin motor korteksindeki belirli sinir hücrelerine ışık göndermek için kafatasından geçirilen çok küçük optik fiberler kullandı. Işık verildiğinde hedeflenen sinir hücreleri etkinleştirildi ve bunun sonucunda farenin bıyıklarında hareket meydana geldi. Böylece araştırmacılar, belirli bir sinir hücresi grubunun etkinleştirilmesi ile ortaya çıkan davranış arasında doğrudan bir bağlantı kurabildi.
Beynin anı ve duyguları nasıl oluşturduğunu anlamaya yardımcı oluyor
Burada optogenetiği geleneksel beyin araştırmalarından ayıran önemli bir fark bulunuyor. Bir sinir hücresinin belirli bir davranış sırasında aktif olduğunu gözlemlemek, o hücrenin söz konusu davranışa neden olduğunu tek başına kanıtlamıyor. Çünkü hücre yalnızca davranışın gerçekleşmesine eşlik ediyor olabilir. Optogenetik ise araştırmacılara belirli hücreleri yapay olarak etkinleştirme veya baskılama imkânı verdiği için bu ilişkiyi neden-sonuç düzeyinde test edebiliyor. Nobel Komitesi de yöntemin en önemli katkılarından birinin bu olduğunu belirtiyor. Bu sayede bilim insanları, beynin yalnızca anatomik bir haritasını çıkarmakla kalmayıp işlevsel bir haritasını da oluşturmaya başladı.
Optogenetik artık tedavilerde de kullanılmaya başlandı
Başlangıçta temel nörobilim araştırmaları için geliştirilen bu teknoloji, zaman içerisinde doğrudan tıbbi uygulamalara da taşındı. Optogenetik terapi adı verilen yaklaşım, özellikle sinir sistemindeki hasarlı veya işlevini kaybetmiş hücrelerin yeniden kontrol edilebilmesi konusunda umut vadediyor.
Bunun en dikkat çekici örneklerinden biri görme kaybının tedavisinde gerçekleştirildi. Retinitis pigmentosa adı verilen ve retinadaki ışığa duyarlı hücrelerin zaman içerisinde zarar görmesine yol açan kalıtsal hastalık nedeniyle görme yetisini kaybeden bir hastada, channelrhodopsin üretmesini sağlayan genetik talimatlar zararsız bir virüs aracılığıyla retinadaki ganglion hücrelerine aktarıldı. Bu hücreler normalde ışığı doğrudan algılamıyor olsa da gen tedavisinin ardından ışığa duyarlı hâle getirildi.
Hastaya ayrıca çevredeki görüntüleri algılayan ve bunları özel ışık sinyallerine dönüştürerek retinaya aktaran bir gözlük verildi. Gözlük, görüntüyü tek dalga boyundaki ışık bilgisine dönüştürerek retinadaki genetik olarak değiştirilmiş hücreleri uyardı. Böylece daha önce ışığa duyarlı hücrelerini kaybetmiş olan retina, dış dünyadan gelen görsel bilgiyi yeniden elektriksel sinyallere dönüştürebildi. Bu uygulama hastanın görme yetisini tamamen normale döndürmese de kısmi görme işlevinin yeniden kazanılmasını sağladı.
Optogenetik bunun yanında epilepsi, bağımlılık ve nörodejeneratif hastalıklar gibi sinir sisteminin işleyişinin bozulduğu durumları anlamak için de kullanılabilecek bir araç olarak görülüyor. Araştırmacılar sağlıklı bir beyinde hangi hücrelerin ve sinir ağlarının belirli işlevlerden sorumlu olduğunu daha iyi anlayabildikçe, hastalık durumunda bu sistemlerin nerede ve nasıl bozulduğunu da daha net biçimde tespit edebilecek.
