Ana sayfa Bilim Gündemi Sinir hücrelerinin taklit edilebildiği ana geldik

Sinir hücrelerinin taklit edilebildiği ana geldik

2209
PAYLAŞ
Nöron benzeri elektronik yapılar (kırmızıyla gösterilmiş) nöronların (yeşille gösterilmiş) biçim, boyut ve esnekliğini taklit ederek beyin dokusuyla ortakyaşam sağlıyor. Kaynak : Xiao Yang/Lieber Lab.

Çeviren: Nıvart Taşçı

İnsan beyni gardiyanlarla çevrili bir kale gibidir; nerede istilacı görse saldırıya geçer. Beyin araştırmalarında ve tedavide kullanılan nöral problar da hedef altındaki yabancı nesneler sınıfına girer; bu nedenle fazla uzun ömürlü oldukları söylenemez. Fakat yenilerde araştırmacılar beynin istilacıyı ayırt edemeyeceği, tam da gerçek bir sinir hücresi gibi görünen, davranan ve hisseden bir prob tasarladılar. Harvard Üniversitesi’nden Charles M. Lieber’e göre bu yenilik “insan yapımı sistemlerle canlı sistemler arasında daima mevcut olan farklılıkları kelimenin gerçek anlamıyla bulanıklaştırıyor.” Yani insanla makineler arasındaki çizginin silikleştiği bir an bu…

İnsan biyolojisinden esinlenerek tasarlanan nöral probların tanıtıldığı makale Nature Materials dergisinde yayımlandı. Doğrudan beyin dokusuna yerleştirilen problar bu organın sıcak, nemli ve pek de misafirperver olmayan ortamında uzun süre bozulmadan kalabilecek şekilde tasarlandı. Koruyucu bir kılıf içindeki sensörlerden araştırmacılara veriler gidiyor. Böylece her bir nöronun ne zaman ateşlendiğini veya nöron ağlarının ne zamanlar iletişime geçtiğini görme imkanına kavuşan araştırmacılar Parkinson, Alzheimer kaynaklı nöral aşınma ve yaşlanma gibi nörolojik bozuklukların nasıl tedavi edilebileceği hakkında fikir yürütebilecek, hatta bilişsel becerilerin iyileştirilmesi için adımlar atılabilecek.

Mevcut implantlarla beyni kandırmak pek mümkün değil; yabancı cisimlere verilen tepkiyle karşılaşmayan bir implant henüz yok. Gerçek nöronlara ve nöral dokuya kıyasla fazla büyük ve sert olan geleneksel implantlarda beynin sürekli izlenmesini zorlaştıran temel bir engel mevcut. Buna göre implantın beyne ilk yerleştirilme aşamasında nöronlar işlem gören alandan adeta çekilirler. Çalışmalar beyne özgü bağışıklık sisteminin yabancı nesneyi algıladığını, hemen işe koyulduğunu, inflamasyon yanıtı verdiğini ve aleti izole edecek şekilde dokuyu çevrelediğini gösteriyor. Sinyalleri ayrık dokunun ötesinden yakalamak mümkün de olsa probların pozisyon değiştirmesi ve civar nöronlardan gelen sinyallerle problarınkinin karışması olasılık dahilinde.

Lieber’in laboratuvarındaki lisansüstü öğrencilerinden Xiao Yang -kendisi aynı zamanda çalışmaya ait makalenin de başyazarı- “bu durumun kaydedilen sinyalin kararlılığını bozabileceğini” ifade ediyor. Genç kadın kendi geliştirdikleri probla harekete geçen bağışıklık cevabının önemsiz düzeyde olduğunu, probun dokuya yerleştirilmesini izleyen 24 saat içinde sinyal toplamaya başlayabildiklerini ve hatta doku onarımının da derhal tetiklendiğini belirtiyor. Yang devasa boyutlardaki eski tip nöral probların aksine, geliştirdikleri yeni nesil probların nöronlarla aynı boyutlarda olduğunu söylüyor. Ayrıca bu yeni problar daha önce hiçbir laboratuvarın ulaşamadığı iki özelliği daha kopyalıyor: Mevcut nöronların biçimi ve esnekliği.

Nöronları bir nevi iribaşa -kurbağa yavrusuna- benzetebiliriz; yuvarlak bir kafanın altında uzanan uzun, esnek bir kuyruk. Buna mukabil Yang ve ekip arkadaşları kayıt yapabilen metal elektrodun sığabileceği, tam da nöron gövdesinin boyuna denk gelen bir “kafa” geliştirmişler. Elektrodun telleri nöronun akson denen uzantısına benzeyen aşırı esnek bir polimer “kuyruk” aracılığıyla ara bağlantılarını sağlıyor. Yang’ın belirttiğine göre bu yeni nöron-benzeri elektronik yapı şimdiye kadar yapılmış problardan 5 ila 20 kat daha esnek.

Tipik bir nöronun kalınlığı yaklaşık olarak ince bir saç teli kadardır (20 mikron); “kuyruk” denilen uzantı ise bundan 10-20 defa daha ince olabilir. Bu kalınlıktaki, hatta daha da ince olabilen nöron-benzeri elektronik yapı, böylece şimdiye kadar geliştirilmiş en küçük prob olma özelliğine kavuşuyor. Mikroskopik boyutlardaki bu nesneyi yapmak için Yang ve ekibi fotolitografi denen bir yöntemden faydalanmış. Buna göre şablonun materyal üzerine aktarılması ışık aracılığıyla gerçekleştiriliyor ve probun metal ile polimerden yapılı dört ayrı tabakası birden aynı anda oluşuyor. İşlem tamamlandığında bu hücre kopyalarından 16 adedi hipokampüs içine yerleştiriliyor; araştırmacıların fare beyninde bu alanı seçmesinin nedeni öğrenme, bellek ve yaşlanma gibi süreçlerle ilişkisinden kaynaklanıyor. Problar burada gözenekli bir ağ yapısı oluşturarak beynin çapraz bağlı nöron ağını taklit etmiş oluyorlar.

Büyük ve sert problar nöronları yerinden edip araştırmacıların incelemek istediği nöral bağlantıları bozabilir. Yang’ın geliştirdiği problar ise hücrelere bütünüyle gömülüyor ve implante edildikleri yerde %1’den daha küçük bir hacim kaplıyor. Yerleştirildikleri andan aylar sonrasına kadar nöronlar bu yapay ağla bütünleşip ahenkli bir melez oluşturuyor. Bu da ekibin implantasyondan aylar sonra bile aynı kararlılıkta verilere ulaşmasını sağlıyor. Sonuçta tek bir nöron sinyali dahi kaybolmuyor. Aksine bunlara yenileri de ekleniyor. Yang beklenmedik ve heyecan verici olarak nitelendirdiği bir deneyde ulaştıkları yeni nöron sinyallerinin ortaya koyduğu, gerçekten de beklenmedik ve heyecan verici bir tablodan söz ediyor: Yapay nöron benzeri elektronik yapılar yeni doğan nöronlar tarafından beynin hasarlı bölgesine ulaşmak için kullanılıyor ve böylece dokunun yeniden yapılanması sağlanıyor. Normalde rejenerasyon tedavileri beynin hasar sonrası onarımını sağlayacak kök hücre teknolojilerine dayanıyor. Öte yandan transplantasyonu yapılan kök hücreler, tıpkı azımsanmayacak boyutlardaki geleneksel problar gibi bağışıklık yanıtını tetikleyebiliyor; bu da etkinliklerini azaltıyor. Oysa yeni geliştirilen problar kişinin kendi kök hücrelerini devreye sokuyor ve bunların beynin hasarlı bölgesine aktarılmasına destek oluyor. Elbette beynin bağışıklık sistemi yabancı nesne niteliği taşımayan bu kök hücrelerin gerektiği gibi işlev göstermesine izin veriyor.

Daha sırada bekleyen pek çok araştırma varsa da bu probların nörolojik hastalıklar,  beyin hasarı ve hatta depresyon ya da şizofreni gibi durumların tedavisinde güvenilir ve istikrarlı bir alternatife dönüşeceği düşünülüyor. Halihazırda Yang şimdikinden daha da küçük ve daha esnek prob tasarımları üzerinde çalışıyor. Fakat şimdiden, kabul edilebilir düzeydeki bağışıklık cevabı, rejenerasyon sağlayıcı özellikleri ve daha önce görülmemiş düzeydeki kararlı yapısı sayesinde bu problar insan yapımı sistemlerle canlı sistemler arasındaki sınırı bulanıklaştırmakla da kalmıyor, adeta görünmez kılıyor.

Kaynak
“A vey human machine”, Harvard University News, 25 Şubat 2019; https://chemistry.harvard.edu/news/a-very-human-machine.