Sinirbilimin en akıl almaz zihin kontrol aracı olan optogenetikte büyük bir yenilik gerçekleşti.
3 Boyutlu ışık hologramları yanlış duymadınız, hologram! doğrudan bir farenin beyin zarına yansıtıldı, UC Berkeley mühendisleri anında düzinelerce nöronun kontrolünü ele geçirdi.
Ama asıl etkileyici olan bu değil. İnanılmaz olan şey, bu nöronların bir kum tanesi büyüklüğündeki beyin zarı parçası üzerinde 50’den fazla noktaya dağılmış olan farklı ağlara ait olması.
Eğer klasik optogenetik gece karanlığında gökyüzünü ışıl ışıl aydınlatmaksa -yıldızlar ve kozmik arka plan- bu yeni versiyon sadece seçilmiş az sayıdaki takım yıldızı hedef alıyor.
Çalışmanın yazarlarından Dr. Nicolas Pégard, “Optogenetik keşfedildiği zaman gerçekleştirilen ilk uygulama her şeyi aydınlatma oldu. Bunu yaparak ya tüm nöronları aynı anda aktive edebilir ya da hiçbirini aktive etmezsiniz,” dedi.
“Artık açıkça görüyoruz ki, beyne yüksek düzeylerde bilgi aktarmak istiyorsak istediğimiz zaman belirli bir nöron alt kümesini hedefleyebilmeli ve diğerlerini aktive etmeyebilmeliyiz. İşte bu da holografi ile mümkün,” diyerek sözlerini sürdürdü. Araştırma ekibi elde ettikleri sonuçları Nature Neuroscience dergisinde yayınladı.
Özet Bölümü
Optogenetiğin Karanlık Yüzü
Optogenetik alanı 13 sene önce sinirbilim sahnesine girdiği zaman gecikmeden oyunun kurallarını değiştirmişti.
Farklı ışık dalga boylarına yanıt olarak elektriksel aktiviteyi tetikleyen proteinlere doğal olarak sahip olan algler bu buluşa esin kaynağı oldu. Bilim insanları çok geçmeden bu proteinleri genetik olarak memeli nöronlarına ekleyebileceklerini keşfetti. Yerleştirilen fiberoptik kablolardan gelen ışık ile aydınlatıldığında bu sensörler nöronları aktive etti.
Optogenetik sinir devrelerinin haritalanmasında tercih edilen bir araç haline geldi: nöron gruplarının aktivasyonu ya da baskılanması ve takip edilen davranışın gözle mlenmesi gibi. Bir fare korkup donakalabilir, daire çizerek koşabilir, agresifleşebilir ya da aşırı yemek yiyebilir ve bu davranışlarıyla manipüle edilen nöronların fonksiyonları hakkında bilgi verir.
Elbette bu araç bazı eleştiriler de aldı.
Başlıca dezavantajlarından biri pervasız doğasıydı. Normalde nöronlar nadiren koordine edilmiş bir şekilde aktive olur. Ama lazer demetinin beyin dokusuna tesir etmesiyle protein ışık sensörü ile donatılmış tüm nöronlar aynı anda aktive olur.
Elbette optogenetik ile davranışları tetiklemek mümkün, ancak bu davranışlar için hangi nöronların gerekli olduğunu ve hangilerinin sadece ateş hattında kaldığını- ayırt edebilmek zorlu bir görevdi.
Çalışmanın yazarlarından Dr. Alan Mardinly, bilim insanlarının geleneksel optogenetikte şimdiden bazı değişiklikler yaptığını söyledi. Bunlardan biri, nöronlara aynı anda iki foton ile vurmak. Bu optik hile ile sadece bir alanın odaklanılarak aydınlatılması mümkün oluyor, ama daha fazla lazer gücü kullanılması gerekiyor.
Diğer hile mi? Hologramlar.
Holografik Başarım
“Holografik iki foton optogenetik” fikri yeni bir fikir değil. 2015 yılında Londra Üniversitesinde Dr. Michael Häusser öncülüğündeki uluslararası araştırma ekibi, uzamsal ışık modülatörü -PowerPoint projektöre benzer bir aracın havalı ismi kullanarak bir dizi farklı hücre üzerine aynı anda bir ışık örüntüsü yansıtmanın bir yolunu açıkladı.
Mardinly bu teknolojinin aynı anda sadece birkaç nöronu hedefleyebildiğini belirtti. Ve ışığın düz bir hat üzerinde yayılması nedeniyle nöronlar üzerine bir hologram yansıtılması, istemeden de olsa hedeflenen nöronların üstünde ve altındaki nöronların da aydınlatılması anlamına gelebilir.
Pégard, “Holografi iyi ama yeterince iyi değil,” diyor. “3D-SHOT adını vererek geliştirmiş olduğumuz şey, ışığı tek bir nörondan daha büyük olmayacak kadar küçük bir alana odaklamamıza imkan tanıyan bir çeşit gelişmiş holografi ve bu da bize istediğimiz hedefleme kesinliğini sunuyor.”
Ekip bu hologramı üretmek için lazer demetlerini ufacık noktalara odaklayarak ışığa yön veren bir uzamsal ışık modülatörü kullandı. Bu da kalabalık bir statta her biri elinde bir ayna tutan insanlardan bu aynaları kullanarak güneş ışığını saha da bulunan tek bir çim parçasına odaklamalarını istemek gibi bir şey -tek farkı çok daha küçük bir ölçekte olması.
Asıl mesele ise bu holografik teknolojinin, ışığın tek bir düzleme odaklanmasına imkan tanıyan temporal odaklama ile bir araya getirilmesiydi. Mardinly, bu ikisinin bir araya getirilmesinin geçtiğimiz dönemde teknolojik bir zorluk olduğunu belirtti.
Ama elde edilen sonuç bu zahmete değdi: 3D-SHOT küçük nöron sütunlarını aydınlatmak yerine seçilmiş nöronları oldukça hassas bir şekilde hedefleyebiliyor.
Gelişmiş Sensörler
Daha iyi donanıma sahip olmak bu gelişmenin sadece yarısını ifade ediyor.
Araştırma ekibi 3D-SHOT’ın hedefleme yeteneğiyle eşleşecek ve bu ışık demetlerini yakalayarak elektriksel aktiviteye dönüştürecek opsin adını verdikleri yeni ışık sensör proteinleri geliştirdi.
Bu opsinler renkli ışıkla uyarıldıkları zaman nöron membranında açık bir kanala dönüşerek iyonların nöronu aktivite etmek için nöron içerisine hareketine neden oluyor.
Daha önce geliştirilen sensörler, keskin sinirsel vuruşları yakalamakta 50 kata kadar daha yavaştı. Işıkla uyarımları daha uzun sürdüğü için (ve inaktif hale getirilmesi daha da uzun sürüyordu) bu sensörler, ağın normal aktivasyon örüntülerini değiştiren bir şekilde sinirsel aktiviteyi “uzatmaktadır”.
Yeni geliştirilen opsinler ise bu anlamda büyük bir adım. Örneğin, UC Berkeley araştırma ekibi tarafından geliştirilmiş bir opsin olan ChroME, daha önceki opsinlere kıyasla elektriksel akımı 3-5 kat daha güçlü tetiklemektedir ve ışığa o kadar hızlı yanıt verir ki her ışık atımı başına bir artış oluşturmak mümkündür.
Pégard bunun “normal, aktif, uyanık beyinde olan şeylere benzer bir sinirsel aktivite örüntüsü sentezlenmesini mümkün kıldığını” söyledi.
Araştırma ekibi geliştirdikleri opsinleri başka bir hile ile birleştirdi: aktive edildiğinde nöronların bir floresan fener gibi yanmasını sağlayan bir protein (buna benzer bir şey). Bu sayede ekip sinirsel aktiviteyi gerçek zamanlı olarak mikroskop altında takip edebiliyor.
Tamamen Optik Okuma-Yazma Sistemi
Gerçekleştirilen bir test çalışmasında bir fare koşu bandında koşarken onun beyin zarında bulunan bir dizi duyu sinirini holografik olarak uyardı. (Beynin sarsılmasının önlenmesi için farenin başı kelepçeye benzer bir cihazla sabitlenmiştir.)
Bu hologram uyarılan gruplar içerisinde aktivite dalgalarını tetikledi. Hedeflenmeyen nöronlar ve hatta yeni opsinlerle donatılmış olanlar sessizliğini tamamen korudu.
Teknolojinin hassasiyetinin bir diğer kanıtı ise ışık uyarımının farenin koşu davranışını değiştirmemiş olmasıydı motor nöronları tarafından kontrol edilen bir faaliyet.
Peki bu bir çeşit yapay his yarattı mı? Eğer deneyimlediğimiz her şeyin ardında sinirsel aktivite yatıyorsa, beynin yapay olarak kurcalanması farelerin bir şeyler hissetmesine neden olmaz mı?
Belki. Mardinly, duyu nöronlarının rastgele uyarılmasının fazla bir şey yapmayacağını belirtti. Ama bilim insanları bir hissi kodlamak için gruplar halinde birlikte çalışan nöronları belirleyebilir ve bu teknolojiyi kullanarak yakın gelecekte farelere bu komutları programlayabilirler.
Araştırma ekibi şimdiden beyinde aktivite örüntülerini “kopyalama-yapıştırma”larına imkan tanıyan bir protokol tasarladı. Örneğin, belirli bölgelerdeki ağ aktivitelerini kaydedebilir, bunları hologramlara dönüştürebilir ve bunu yine beynin aynı bölgesine geri yansıtabilirler.
Bilim insanları çok yakında gerçek sinir örüntülerinin holografik olarak fare beyninde yeniden oynatılmasını sağlayabilecek, beyni aslında orada olmayan bir şeyi hissetmeye, görmeye veya koklamaya yönlendirebilecek.
Algılar artık gerçekliğe dayalı olmaktan çıkabilir. Hatta bir gün birden fazla sahte anı izini beyne “yazmak” dahi mümkün olabilir.
Peki eğer bu farelerde işe yarıyorsa bir gün insanlar için de aynı şey kullanılabilir mi? 3D-SHOT’ın minyatür bir versiyonu tıpkı “The Matrix”te olduğu gibi beyne hisler veya beceriler indirmek için kullanılabilir mi?
Mardinly bunun o kadar da çabuk olmayacağını söyledi. Başın üzerine koyulan tamamen optik bir makine arayüzü elektrotlardan daha makul olsa da bunun için insan beyin hücrelerine genetik olarak opsinler eklenmesi gerekir oldukça müdahaleci bir işlem.
Pégard da bu görüşe katılıyor. Pégard, belki bir gün bu teknolojiyi minyatürize ederek portatif bir implant haline getirebilir, beynin yapay uzuvlara, ellere ya da gözlere kusursuz bir şekilde bağlanmasını pratik hale getirebiliriz dedi. “Ama şimdilik bu mücadelenin hala ilk günlerindeyiz.”
Mardinly, “Aslında bunun temel sinirbilim araştırmalarını değiştirmeye yardımcı olacağını düşünüyorum”, dedi.
Artık tarihte ilk defa yaşayan bir beyinde gerçek sinir aktivitesinin belirli bölümlerini yeniden üretebilir ve sonra da bunu değiştirerek vücudun tepkilerini gözlemleyebiliriz. Bilim insanları küçük adımlar atarak bu aktivite örüntülerini bir davranış, bir his ve hatta bir anı ile eşleştirebilir ve bizi beynin sinirsel şifresini kırmaya biraz daha yaklaştırabilirler.
Mardinly, bu “benim için yeterli,” dedi.
