Yeni bir bilimsel çalışmaya göre, bilim insanları laboratuvarda girift ağlar oluşturan ve erken doğmuş bir bebeğin gelişmekte olan beyini tarafından yayılan beyin dalgalarına benzer dalgalar üreten mini beyinler yani minyatür beyinler oluşturdu.
Laboratuvarda minyatür beyinler oluşturma fikri yeni değil; araştırmacılar bunu neredeyse son 10 yıldır yapıyor. Ancak çalışmaların çoğunda bu mini beyinler ya da organoidler, büyük ölçekteki yapıları araştırmak için kullanıyor.
Örneğin Beyinsizler platformumuzun önceden bildirdiği üzere, bir araştırma grubu kan damarları geliştirebilen mini beyinler üretti. Bir diğer grup, Zika Virüsü ‘nün küçük kafalılığa (mikrosefali) nasıl sebep olduğunu anlamak için mini beyinleri bu virüsle muamele etti.
Ancak, çalışmanın uzman yazarı Kaliforniya San Diego Üniversitesi’nde Kök Hücre Programı Direktörü ve Hücresel ve Moleküler Tıp Bölümünde doçent olan Alysson Muotri; otizm, şizofreni, bipolar bozukluk ve hatta depresyon gibi durumlar söz konusu olduğunda “Beyin hasarsız, sorun beyin ağının faaliyetlerinden kaynaklanıyor.”diyor.
Bu, laboratuvarda üretilen beyinlerin kuvvetli beyin dalgaları yayan girift nöron ağları oluşturmalarının ilk seferi.
Bunu yapmak için, Muotri ve ekibi insanların deri ve kan hücrelerinden türeyen ve doğru talimatlar verildiğinde her çeşit hücreye dönüşebilen kök hücrelerini kullandı. Araştırmacılar bu kök hücreleri, hücreleri beyin hücrelerine dönüştürecek kimyasal talimatlara maruz bıraktılar.
Ekseriyetle bu hücreler,çoğalabilen ve birçok beyin hücresi tipi haline gelebilen beyine özgü progenitör (ata) hücreler oluşturdular. Bir laboratuvar kabında iki ila beş ay sonra, bu ata hücreler, uyarıcı beyin hücreleri olan glutamaterjik nöronları yahut bilgi yayan hücreleri meydana getirdi.
4 ay kadar sonra, mini beyinler uyarıcı nöronlar oluşturmayı durdurdu ve astrosit üretmeye başladı. Bu beyin hücreleri sinaps adı verilen ve beyin hücreleri arasında nörotransmitterlerin (beyin kimyasalları) bilgi ilettiği boşlukları düzenlemeye yardımcı olur.
Son olarak, ata hücreler, beyin aktivitesini sönümleyen veya nöronların bilgi iletimini engelleyen inhibitör nöronlar oluşturmaya başladı.O süreç için Muotri, “aktivite daha karmaşık hale gelmeye başlıyor, çünkü şu anda uyarım ve inhibisyonu dengelemeye çalışıyoruz.”diyor.
Muotri, hücreler bölünürken ve farklılaşırken; en nihayetinde, hücrelerin“insan beyin korteksini andıran bir forma dönüşmek üzere kendi kendilerine organize olmaya başladıklarını” ifade ediyor. Korteks, beynin bilinçte önemli bir rol oynayan dış tabakasıdır.
Mini Beyinler
“Mini beyinler” aslında insan beyninin minyatür versiyonlarına benzemiyor. Muotri aksineonların, içinde büyüdükleri kırmızımsı sıvıda yüzen beyaz küresel yapılar olduğunu söylüyor.“Çapları sadece 0,2 inç (0,5 cm)’ye kadar ulaşabilecek şekilde büyüdüler, fakat sinirsel ağları 9 ila 10 ay daha durmadan gelişmeye devam etti.”, diyor.
Mini beyinlerin büyümesi boyunca, ekip beyin aktivitesini ölçmek için nöronlara bağlanan küçük bir elektrot seti kullandı. Araştırmacılar, yaklaşık iki ay gibi bir sürede, mini beyinlerdeki nöronların, tümü aynı frekansta olmak üzere aralıklı sinyaller yaymaya başladıklarını ortaya çıkardı.
Muotri, birkaç ay daha süren gelişmeden sonra beyinlerin daha karmaşık bir beyin aktivitesine işaret edecek biçimde farklı frekanslarda ve daha düzenli şekilde sinyaller yaydığını söyledi.
Muotri, daha önce yapılan araştırmalarda laboratuvarda üretilen mini beyinlerin, beyin hücresi sinyal yayımına yol açabileceği gösterilmişken; araştırmacıların yayımın dakikada yaklaşık 3.000 kez gerçekleştiğini belirttiklerini söyledi. Buna karşın, bu çalışmada, nöronlar dakikada 300.000’e yakın sinyal yayarak “insan beynine daha yakın” bir fizyoloji sergilediler, diye de ekledi.
Ekip daha sonra bu mini beyinlerin beyin aktivitesini erken doğmuş bebeklerinki ile karşılaştırmak için bir makine öğrenme algoritması kullandı. Araştırmacılar, programlarını 6-9 aylık bebekler arasından 39 prematüre bebeğin kaydettiği beyin dalgalarını öğrenmek üzere özelleştirdiler.
Bilim insanları daha sonra beyin dalga biçimlerini mini beyinlerden algoritmaya aktardılar ve 25 haftalık mini beyin gelişiminin ardından, insan beyninden gelen verileri laboratuvarda yetiştirilen beyinden türeyen verilerden ayırt edemeyeceklerini tespit ettiler.
Muotri, “Kafası karışıyor ve bu durum her ikisinin yaşını da hemen hemen aynı kılıyor.” diyerek mini beyinlerin ve insan beyinlerinin benzer şekilde büyümekte ve gelişmekte olduğunu öne sürdü.
Daha önce laboratuvarda mini beyin geliştirme üzerine çalışmış, fakat bu çalışmanın bir parçası olmayan; Hopkins’in Hayvan Testlerine Alternatifler Merkezi Direktörü Dr. Thomas Hartung,”Bu çalışma, bir insanın gelişimi için çok önemli olan süreçleri ele alabileceğiniz bu yeniden üretilebilir.
Bu beyinler muhtemelen “düşünmüyorlar”ve“bilinçten yoksunlar”
Deney sistemlerini yapabildiğinizi çok iyi şekilde ortaya koyuyor.”dedi ve ekledi: “Embriyonik beynin erişilemezliği, bu modellerin farklı bir şey arz etmesinin sebeplerinden biri. Ama aynı zamanda bunun gerçek bir şey olduğunu söylemek için imkanlar çok sınırlı.”Buna ek olarak Hartung, EEG sinyalleri erken doğan bebeklerinkine benzese de laboratuvarda üretilen mini beyinlerin zamanlamada bunlardan biraz farklı olduklarını söyledi.
Bir insan embriyosu anneye bağlıyken ve böylece dışarıdan sinyaller alırken, laboratuvarda yetiştirilen beyinler hiçbir şeye bağlı değildir. Hartung, “Bu hücrelerin herhangi bir girişi veya çıkışı yok, dünyada olan hiçbir şeyi anlayamıyorlar.” dedi. Bu yüzden “kesinlikle” bilinçten yoksunlar.
Muotri, çoğu bilim insanının buna katıldığını fakat bir yandan da bunun “söylemesi zor” olduğunu belirtti ve akabinde: “Biz nörobilimciler, bu laboratuvar ürünü mini beyinlerin bilinçli olup olmadıklarını tespit etmek için hangi ölçümlerin yapılmasının gerekli olduğu konusunda bile hemfikir değiliz.” diye ekledi.
Çevreyle etkileşime girmemize yardımcı olmak maksadıyla insan beyni, vücuttaki sinir ağı boyunca sinyaller gönderir. Örneğin, bir böceğe bakarız, gözler beyin hücrelerine sinyal gönderir, bunlar birbirlerine de sinyal verir ve bize bir böcek gördüğümüzü bildirir.
Peki, bu laboratuvarda yetiştirilen mini beyinler neden sinyal gönderiyor?
Ne hakkında konuşuyor olabilirler ki?
Muotri, “Bu bilmediğimiz bir soru, çünkü embriyonik beyin gerçekten kara bir kutu.” diyor. Bu erken aşamalardaki sinyallerin çoğunun “kendinden kenetlenme” veya birbirlerine bağlanma talimatları içerdiği görülüyor.
Her halükârda Muotri, bunun gibi çalışmaların, erken beyin bağlantılarının karmaşık beyinlerimizi nasıl meydana getirdiğini ve bu bağlantıların yanlış oluştuğunda ne yaşanacağını anlamamıza yardımcı olacağını umduğunu söyledi.
Muotri ve ekibi şimdi dokuz ila on aydan daha uzun bir süre gelişip gelişemeyeceklerini görmek için beyin organoidleriyle olan çalışmalarını daha fazla ilerletmeyi umduklarını söyledi.
Araştırmacılar ayrıca, örnek olarak beyin ağlarının nasıl geliştiğini anlamak için otizmli çocuklardan alınan hücrelerle beyin organoidleri oluşturarak beyin bozukluklarını da modellemek istiyorlar. Bulgular 29 Ağustos’ta Cell Stem Cell Dergisi’nde yayımlanmıştır.
Editör / Yazar: Özgür ÜLKER