İnsan beyni, son derece karmaşık bir bilgi işleme sistemidir. Bu karmaşıklık, beynin nasıl çalıştığını anlamaya yönelik araştırmaları da beraberinde getirirken etik sınırları gündeme taşıyor.
İnsan beyninin canlı bir organizma üzerindeki işleyişini incelemek, araştırmacılar açısından önemli kısıtlamalara tabi, ancak bilim insanları laboratuvar ortamında yetiştirilen küçük sinir dokusu kümeleri sayesinde beynin işleyişine dair yeni bilgiler edinmeye devam ediyor.
Beyin organoidleri adı verilen bu 3 boyutlu hücre kümeleri, insan beyninin küçültülmüş bir kopyası değil. Bununla birlikte beynin hücresel yapısının ve elektriksel faaliyetlerinin belirli özelliklerini taklit edebiliyor. Böylece bilim insanları, canlı bir insan beyninde doğrudan gerçekleştirilmesi mümkün olmayan bazı deneyleri laboratuvar ortamında yapabiliyor.
Tokyo Üniversitesi'nden sinirbilimci Yoshiho Ikeuchi liderliğindeki araştırma ekibi bu yöntemden yararlanarak 3 insan beyni organoidini birbirine bağladı. Araştırmacılar, oluşturdukları sinir ağının tekrarlanan elektriksel uyarılar sonucunda farklı sinyalleri birbirinden ayırt etmeyi öğrenip öğrenemeyeceğini inceledi.
Yayımlanan araştırma, 3 organoidin birbirine bağlanmasıyla oluşturulan ağın, tekrarlanan uyarımların ardından sinyallerin kaynağını ayırt etme konusunda belirgin bir gelişim gösterdiğini ortaya koydu.
Beyin organoidleri nasıl oluşturuldu?
Araştırmada kullanılan organoidler, insan kaynaklı indüklenmiş pluripotent kök hücrelerden (hiPSC) üretildi. Bunlar, yeniden programlanarak kök hücre benzeri bir duruma getirilen olgun insan hücreleridir. Uygun koşullar sağlandığında farklı hücre türlerine dönüşebilen bu hücreler, sinir dokusu oluşturmak için kullanıldı.
Araştırmacılar, elde ettikleri küçük sinir dokusu kümelerini üzerlerinde çok sayıda mikroelektrot bulunan özel çiplerin üzerine yerleştirdi. Bu elektrotlar, organoidlere elektriksel uyarılar verilmesini ve oluşan sinirsel faaliyetlerin kaydedilmesini sağladı.
Deneylerde farklı ağlar oluşturuldu:
- Tek organoid içeren çiplerde iki farklı uyarı aynı organoide verildi
- İki organoidli düzeneklerde uyarılar bir organoide uygulanırken diğerindeki sinirsel faaliyetler ölçüldü
- Üç organoidli ağlarda iki organoide ayrı ayrı uyarılar verildi ve üçüncü organoidin tepkileri kaydedildi
Organoidlerin birbirleriyle bağlantı kurabilmeleri için iki haftadan uzun süre beklenildi. Bu süreçte sinir hücrelerinin akson adı verilen, elektriksel sinyalleri taşıyan uzantılar geliştirmesi ve diğer hücrelerle bağlantılar kurması amaçlandı. Süre sonunda yapılan kayıtlar, bir araya getirilen organoidler arasında eş zamanlı elektriksel faaliyetler bulunduğunu gösterdi.
2 hafta boyunca elektriksel uyarılar verildi
Bir sonraki aşamada bilim insanları, sinir ağlarını iki hafta boyunca her gün elektriksel olarak uyardı. Her gün iki farklı noktaya 100'er kez uyarı uygulanırken ağın başka bir bölümünde ortaya çıkan sinirsel faaliyetler kaydedildi.
Bilim insanlarının amacı, tekrarlanan elektriksel uyarıların sinir ağının tepkilerini değiştirip değiştirmediğini ve ağın sinyalin hangi noktadan geldiğini ayırt etme becerisi geliştirip geliştirmediğini belirlemekti. Kaydedilen sinirsel faaliyetler makine öğrenmesi algoritmalarıyla analiz edildi. Algoritmalardan, ortaya çıkan tepkinin iki uyarı noktasından hangisine ait olduğu tespit edilmesi istendi.
Deneyin başlangıcında uyarı noktaları, birbirine benzer tepkiler oluşturacak şekilde seçildi. Bu nedenle algoritmalar, sinyalin kaynağını yalnızca yaklaşık yarı yarıya doğru belirleyebildi. Bu oran, iki seçenek arasında tahmin yürütmeyle elde edilebilecek sonuca yakındı.
3 organoidli ağda dikkat çekici değişim
İki haftalık uyarım sürecinin ardından tek organoidli ve iki organoidli düzeneklerde belirgin bir gelişme görülmedi. Bu ağlarda iki farklı uyarıya verilen tepkileri birbirinden ayırt etmek hâlâ zordu.
Ancak üç organoidin birbirine bağlandığı ağlarda farklı bir sonuç ortaya çıktı. Bu ağlarda üçüncü organoidin ürettiği sinirsel tepkiler, iki farklı uyarı kaynağına göre giderek daha kolay ayırt edilebilir hâle geldi. Tepkiler zamanla daha hızlı, daha kararlı ve birbirinden daha farklı bir örüntü sergiledi.
Üstelik elektriksel uyarı uygulanmayan üç organoidli kontrol ağlarında aynı gelişme gözlenmedi. Bu durum, değişimin yalnızca hücrelerin laboratuvar ortamında büyümeye devam etmesinden kaynaklanmadığını düşündürdü. Bulgular, tekrarlanan elektriksel uyarıların sinir ağlarının işleyişini değiştirmiş olabileceğine işaret ediyor.
Bu, insan beyninin öğrenmesiyle aynı şey değil
Elde edilen sonuçlar, organoidlerin bilinç kazandığı ya da insan beyni gibi karmaşık düşünme yeteneği geliştirdiği anlamına gelmiyor. Gözlemlenen gelişme, belirli elektriksel uyarılara verilen tepkilerin birbirinden daha kolay ayırt edilmesiyle sınırlı, temel bir öğrenme biçimi olarak değerlendiriliyor.
Bununla birlikte çalışma, sinir dokusunun farklı görevler üstlenen modüller hâlinde düzenlenmesinin bilgi işleme yeteneği açısından önemli olabileceğini gösteriyor. İnsan beyni de tek tip bir sinir hücresi yığınından oluşmuyor. Farklı bölgeler, kendi içlerindeki sinir ağları aracılığıyla belirli işlevleri yerine getirirken uzun mesafeli bağlantılar sayesinde birbirleriyle iletişim kuruyor.
Ancak sinir dokusunun işlevsel devreler oluşturması ve farklı bilgi kaynaklarını ayırt edebilmesi için hangi koşulların gerekli olduğu henüz tam olarak anlaşılmış değil.
Araştırmacılara göre bu çalışma, sinir dokusunun nasıl organize edildiğinin temel bilgi işleme becerilerini nasıl etkileyebileceğini incelemek için yeni bir araştırma yolu sunuyor. Ekip, gelecekteki çalışmalarda daha karmaşık sinyallerin ve görevlerin test edilmesi gerektiğini belirtiyor.
Ayrıca organoidlerin kendi içlerinde ve birbirleriyle bağlantı kurmasını sağlayan, ağın işleyişinde kilit rol oynayabilecek özel sinir hücrelerinin belirlenmesi hedefleniyor. Bu tür araştırmaların, sinir hücreleri arasındaki bağlantıların ve sinaptik plastisitenin öğrenme benzeri süreçlerdeki rolünü daha iyi açıklaması bekleniyor.
