Nature Methods tarafından 2010 yılının araştırma metodu olarak seçilen optogenetik, beyin hakkında bilmediğimiz birçok konuya açıklık getirmede umut vaat ediyor. MIT Synthetic Neurobiology Group Lideri Dr. Ed Boyden ve Stanford Üniversitesi profesörü Med. Dr. Karl Deisseroth tarafından keşfedilmiş ve Deisseroth Laboratuvarı başta olmak üzere çeşitli gruplar tarafından birçok farklı alanda uygulamaya geçirilerek daha da geliştirilmiş bu teknik, şizofreni, PTSD ve otizm başta olmak üzere birçok beyin hastalığının keşif ve tedavisi için heyecan verici sonuçlar gösteriyor.

Nörobilim araştırmalarını zorlaştıran ve ivmesini azaltan engellerin başında spesifik nöron gruplarını belli zamanlarda aktif edebileceğimiz yöntemlerin olmaması yer alıyordu. Şimdiye kadar kullanılan tekniklerin başında farmakolojik yöntemler yer almaktaydı; ki bu yöntemler hiçbir zaman istenen spesifik aktivasyonu sağlayamadığı için yarattığı yan etkilerden dolayı hem tanı ve keşifleri zorlaştırıyor hem de tedavi sürecinde istenilmeyen yan etkilere sebep oluyordu. Her ne kadar çeşitli hastalıklardaki temel sorun hakkında bazı bulgular olsa da, hücresel devrenin içine girip, farklı hücreleri devre dışı bırakmak ve sonradan tekrar devreye sokarak hangi nöron gruplarının ne tür fonksiyonlara sahip olduğunu ve bunlardan hangilerinin çeşitli beyin hastalıklarında önemli rol oynadığını kesin bir şekilde gösterebilmek, nörobilim araştırmalarında yeni bir çağ açabilirdi. Böyle bir mekanizmayla sadece spesifik hücre gruplarını aktifleştirebilseydik, onların nasıl bir güce sahip olduklarını ve temel fonksiyonlarını görebilirdik. Benzer bir şekilde işleyişini durdurarak da bu hücre gruplarının neden gerekli olduklarını öğrenebilirdik. Bu şekilde selektif nöron aktivasyonunu sağlamanın bir yolu doğada ışık aracılığıyla aktifleşen molekülleri bir şekilde bu nöronlara programlamaktır. Bu sayede nöronlar ışık altında elektrikle işler hale geçebilirler. Böylelikle bu nöronların aktif olması durumunda komşu hücreleri de aktif etmesi sorunu ortadan kalkar; bu durum nöron gruplarının aktivasyon paternleri anlamakta çok önemlidir. Bu moleküllerin aktivasyonları için gerekli olan ışık, hayvan modelleri ve ön klinik çalışmalarda kullanılabilen lazerlere bağlı optik fiber implantlarla sağlanabilir. Söz konusu mekanizma channelrhodopsin adı verilen ve daha verimli fotosentez yapabilmek için ışığa yönelen ve zarında ışığı elektriğe çevirebilen proteinler içeren bir alg türü aracılığıyla gerçekleştirilebiliyor. Solar hücre olarak çalışan bu algler, mavi ışık hücreye isabet ettiğinde küçük bir delik açılmasıyla yüklü parçaların göz beneğine girmesini sağlıyor. Channelrhodopsin, protein olmasından dolayı, organizmanın DNA’sında kodlanıyor ve bu DNA’yı alıp, virüs gibi bir gen terapi vektörüne koyarak incelenmek istenen nöronlara yerleştirilebiliyor. Böylelikle bu nöron doğal protein yapma mekanizmasını kullanarak ışığa duyarlı proteinleri işletiyor ve hücrenin çeşitli yerlerine dağıtıyor; ki bu da optogenetik metodla üretilmiş, ışıkla aktifleşebilen bir nöron sağlamış oluyor. Benzer şekilde halorhodopsin adlı farklı bir protein kullanarak da spesifik nöron gruplarının aktivasyonları sonlandırılabilir. Bu da belli nöron gruplarının aktivitesinin kısa bir süreliğine durdurulmasına olanak verdiği için çok önemli bir optogenetik araçtır.

Şimdiye kadar geliştirilen bilimsel yöntemler arasında şüphesiz en başlarda olan optogenetik metodu sayesinde önceden direkt test edilmesi mümkün olmayan teoriler incelenebiliyor. Bunlardan birisi de şizofreni ve otizmde önemli bir rol oynadığı düşünülen normalden yüksek kortikal eksitasyon ve inhibisyon oranı. Birçok farklı laboratuvar ve araştırma grubu şizofreni ve otizmde ortak olan sosyal davranış ve bilgi işleme bozukluklarının nörofizyolojik temelinde normalden yüksek eksitasyon-inhibisyon oranının olabileceğini göstermiş fakat böyle bir teorinin direkt test edilebilmesi mümkün olmamıştır. Bu teoriyi direkt olarak test etmek ve sağlıklı organizmalarda bu oranı artırmanın şizofreni ve otizmde gözlenen davranış ve işlev bozukluklarına sebep olup olmayacağını görmek için yaptıkları çalışmaların sonucunu Dr. Deisseroth ve ekibi geçtiğimiz yıl Nature dergisinde yayımladı. Fakat bu çalışma optogenetik alanındaki diğer çalışmalara göre biraz daha farklı, çünkü beyindeki bu değişikliği davranışsal boyutta görmek için biraz daha fazla zaman ve daha gelişmiş optogenetik araçlar gerekiyor. Bu gelişmiş teknikler kullanılarak eksitatör nöron aktivitesi artırılarak, artırılan eksitasyon-inhibisyon oranı beklenildiği üzere sosyal davranış ve bilgi işleme alanlarında sorunlara sebep oluyor. Bu araştırma yıllardır direkt test edilememiş bu teoriyi ispatlamasının yanısıra, tedaviye yönelik potansiyel mekanizmalar önermesi açısından da büyük önem taşıyor. Eksitatör nöronların aktivitesi artırılarak eksitasyon-inhibisyon oranı yükselen deneklerde daha sonradan inhibitör nöronların da aktivitesi artırılınca önceden gözlemlenen davranışsal ve işlemsel bozuklukların önemli bir oranda azaldığı gözlemlenmiştir. Bu da şizofreni ve otizm tedavisinde inhibitör nöronların fonksiyonlarının normalden yüksek eksitasyon-inhibisyon oranını dengelemek için artırılabileceğini önermesi açısından önemlidir.

Referanslar:

Boyden, Ed. (2011, May). Ed Boyden: A light switch for neurons [Video file] Retrieved from http://www.ted.com/talks/lang/en/ed_boyden.html

Deisseroth, K. (2011). Optogenetics. Nature Methods, 8, 26-29.

Yizhar, O., Fenno, L. E., Prigge, M., Schneider, F., Davidson, T. J., O’Shea, D. J., Sohal, V. S., et al. (2011). Neocortical excitation/inhibition balance in information processing and social dysfunction. Nature, 477, 171-178.