Yürümek, yön değiştirmek ve yavaşlamak gibi hareketler ne kadar doğal görünse de beynin bunu nasıl yönettiği karmaşık katmanlı süreçtir. Son yıllarda ilgi gören optogenetik teknikler ile beynin belirli bölgeleri ışık kullanılarak doğrudan uyarılabilmekte ve bu bölgelerin davranış üzerindeki etkileri anlık olarak izlenebilmektedir [1].
Frontiers in Neural Circuits dergisinde yayımlanan bir çalışmada [2] , farelerin beynindeki bir bölgeye ışıkla yapılan uyarılar sonucunda, yürüme ve dönme gibi komutların aynı beyin bölgesinden yönetilip yönetilmediği araştırıldı. Bu yazıda, ışıkla beyin kontrolünü mümkün kılan optogenetik yöntemi ve çalışmada kullanılan fare modelini ele alacağız.
Araştırmanın Amacı
Araştırmada, beyindeki mezensefalik lokomotorbölgesinin (MLR) içinde yer alan kuneiform çekirdek (CnF) adlı bölgeye odaklanıldı. Bu bölge hareket başlatıcı merkezlerden biridir. CnF’in yürüme başlatma ve hareket hızını arttırma gibi görevlerde aktif olduğu bilinmekteydi ancak yön değiştirme ve dönme gibi karmaşık davranışlara olan etkisi net değildi. Ayrıca CnF, Parkinson gibi hareket bozukluklarında hedeflenen bölgelerden biridir [3].
Beyni ışıkla kontrol etmek
Bu araştırmada CnF adlı bölgenin uyarılması için optogenetik yöntem kullanıldı. Optogenetik, belirli sinir hücrelerinin duyarlı hale getirilip, sadece bu hücreleri mavi ışıkla aktive etme yöntemidir. Araştırmacılar, farelerin uyarıcı ( glutamaterjik) nöronlarında bu ışığa duyarlılığı sağlamak için transgenik Vglut2-ChR2-EYFP farelerini kullandılar. Fareler izofluran anestezi ile bayıltıktan sonra farenin kafası sabitlendi. Kafatası, kafa derisi kesilerek ortaya çıkarıldı. Beyin atlasına göre koordinatlar kullanılarak CnF üzerine hassas şekilde delik açıldıktan sonra 200 µm çapında çok ince bir optik fiber kablo yerleştirildi. Bu, optogenetik tekniğin temellerinden biridir. Optik fiberin dış ucu kafatasına sabitlenir. Bu dışarıda kalan kısımdır. Daha sonra farenin iyileşme süreci başlar. Bu süreçte fareye çeşitli ağrı kesiciler verilir.
Görsel.1 Başka bir araştırmaya ait, fare kafatasına yerleştirilen optik fiber implantın bağlantı aparatlarının görüntüsüne bir örnek.
Farenin iyileşmesi tamamlandıktan sonra, fiber implanta dışarıdan optik patch kablo takılır. Bu kablo sayesinde fare hareket halinde olsa bile ışığın beyne ulaşmasını sağlar. Deney için farelerin düz yürüyebileceği ve serbestçe dolaşabileceği iki alan gereklidir. Düz ve dar bir koridorda MLR uyarıldığında fare yürümeye başlamıştır. Yürüme paternleriincelenince farenin doğal yürüyüşünün, optogenetik uyarım ile bir farkının olmadığının kontrolü sağlanmıştır. Daha sonra fare dört köşeli serbestçe hareket edebileceği alana alındı. Bu alanda MLR uyarısı hareketi başlattı ve lazer gücü arttıkça fare hızı da orantılı olarak arttı. Fareler köşelere yaklaştırıldığında, fare otomatik olarak fren yaptı ve keskin dönüşler gerçekleştirdi. Sonuç olarak; MLR uyarısına rağmen farelerin hala çevresel ipuçlarına göre yavaşlama ve keskin dönüş yapma becerilerini sürdürdüğü görüldü. Bu da lokomotor hız ve yön değişiminin farklı beyin sapı devreleri tarafından kontrol edildiğine dair güçlü bir kanıt olmuştur.
Neden bu fareler seçildi? Vglut2-ChR2-EYFP ne anlama geliyor?
Bu deney için sadece hareketi başlatan beyin hücrelerinde ışığa tepki veren özel proteinler üretebilen bir transgenik fareye ihtiyaç vardı. MLR içindeki kuneiform çekirdek ( CnF) kısmı, glutamaterjik (Sinyal iletmek için glutamat kullanan nöron) nöronlar açısından zengindir ve hareketi başlatmak ve sürdürmekle ilgilidir. Yani glutamat taşıyıcısı olan kodlar sadece bu nöronlarda aktiftir. Bu kodlar Vglut2 adlı gendir.ChR2 ise ışığa duyarlı bir iyon kanalıdır. Yani bunu taşıyan nöron, mavi ışıkla kontrol edilebilir. Bu hücreleri gösteren bir işaretleyici de gereklidir. Bunun için genellikle floresan proteinleri kullanılır. EYFP sayesinde ChR2’nin hangi hücrelerde üretildiği görülür. Bu fare, iki farklı özel türün çaprazlanmasıyla elde edilmiştir.
Bu çalışmanın önemi
Beyin normalde ışıkla doğrudan uyarılamaz ama ilgili genlerinaktarıldığı hücrelere bu yapılabilir [4]. Yürüme bozukluğu hastalıklarında beynin hangi bölgelerinin nasıl rol aldığı bilgisi, tedavilerde hassas müdahele geliştirilmesini sağlayabilir. Ayrıca beyin-makine arayüzleri ya da nöroproteztasarımları için de bu çalışmalar önemlidir. Sonuç olarak,optogenetik, hassas beyin tedavilerinde devrim potansiyeli olan bir teknoloji olarak görülmektedir.
KAYNAKÇA
[1]Ocak, M. E. (2017). Optogenetik. Bilim ve Teknik, Mart 2017, 38-43.
[2]Van der Zouwen, C. I., Boutin, J., Fougère, M., Flaive, A., Vivancos, M., Santuz, A., Akay, T., Sarret, P., & Ryczko, D. (2021). Freely behaving mice can brake and turn during optogenetic stimulation of the mesencephalic locomotor region. Frontiers in Neural Circuits, 15, 639900. https://doi.org/10.3389/fncir.2021.639900
[3]Chang, Y.C., et al. (2021). Optogenetic dissection of the locomotor circuitry in the mouse brainstem. Cell Reports, 35(9), 109166. https://doi.org/10.1016/j.celrep.2021.109166
[4]Boyden, E. S. (2011). A history of optogenetics: Thedevelopment of tools for controlling brain circuits with light. Biology Reports, 3(11)
GÖRSEL KAYNAKLAR
Görsel.1 : Addgene. (n.d.). The materials you need to get started with optogenetics. Addgene Blog. https://blog.addgene.org/the-materials-you-need-to-get-started-with-optogenetics
Denetmen: Merve OLU
