Bilim insanları, insan beynindeki hastalıkları daha gerçekçi biçimde inceleyebilmek amacıyla farelerin beyinlerindeki milyonlarca nöronu laboratuvarda yetiştirilen insan beyin hücreleriyle değiştiren yeni bir yöntem geliştirdi.
Saygın bilimsel dergi Nature'da yayımlanan araştırmada bilim insanları, genetik yöntemlerle beyinlerinin dış tabakası olan serebral korteksin büyük bölümünden yoksun fareler üretti. Ardından beyinde açılan bu alana laboratuvarda yetiştirilen insan kortikal nöronları yerleştirdi.
Deney sonunda farelerin beyninden yaklaşık 14 milyon fare nöronu çıkarılmış, bunların yerine yaklaşık 4 milyon insan nöronu yerleştirilmiş oldu.
Araştırmacılar, yöntemin serebral palsi, zihinsel gelişim bozuklukları ve epileptik ensefalopatiler gibi insan beynini etkileyen hastalıkların incelenmesinde mevcut hayvan modellerinden daha gerçekçi sonuçlar verebileceğini düşünüyor.
Fare beynine insan nöronlarının yerleştirilmesi yeni bir yöntem değil. Ancak önceki deneylerde insan hücrelerinin fare beyninin mevcut sinir ağlarına büyük ölçekte entegre edilmesi önemli bir biyolojik engelle karşılaşıyordu.
Araştırmanın kıdemli yazarı Stanford Üniversitesi Psikiyatri ve Davranış Bilimleri Profesörü Sergiu Pașca'ya göre bunun temel nedeni, insan beyin hücrelerinin farelerinkinden en az 20 kat daha yavaş gelişmesi.
Normal bir fare beyninde nöronlar hızla büyüyüp birbirleriyle bağlantılar kurarken, sonradan eklenen insan hücreleri bu yarışta geride kalıyor.
NPR'a konuşan Pașca, insan hücreleri birkaç milimetre uzayabilene kadar fare hücrelerinin bağlantılarının büyük bölümünü çoktan oluşturduğunu ve beynin gelişim döneminin sona erdiğini belirtiyor.
Araştırmacılar bu kez soruna farklı bir çözüm geliştirdi: İnsan hücrelerini mevcut fare nöronlarıyla rekabet ettirmek yerine, fare beyninde onlar için boş alan yarattı.
Genetiği değiştirilen fareler, serebral kortekslerinin belirli bölümleri olmadan dünyaya getirildi. Araştırmacılar daha sonra insan nöronlarını bu boş alanlara yerleştirdi.
Araştırmanın ilk aşamasında bilim insanlarını şaşırtan sonuçlardan biri, kortekslerinin önemli bir kısmından yoksun farelerin beklenenden çok daha işlevsel yaşayabilmesiydi.
Serebral korteks; hafıza, akıl yürütme ve bilinç gibi yüksek düzeyli beyin işlevlerinde önemli rol oynuyor. Buna rağmen fareler hareket etmekte büyük bir sorun yaşamadı.
Pașca, hayvanların hafıza testlerinde kötü performans gösterdiğini ancak dışarıdan bakıldığında beyin hacimlerinin yaklaşık yarısının eksik olduğunun anlaşılmasının neredeyse mümkün olmadığını söyledi.
Farelerin beynin kalan bölümlerini kullanarak alternatif stratejiler geliştirdiği düşünülüyor.
Araştırmacılar daha sonra laboratuvarda yetiştirdikleri küçük insan nöronu kümelerini farelerin beyinlerindeki boş alana yerleştirdi.
Pașca'nın aktardığına göre hücreler birkaç gün içinde bölünüp çoğalmaya başladı. Haftalar ve aylar içerisinde büyüyen insan hücreleri damarlarla beslendi ve fare beyninde kendileri için bırakılan alanın büyük bölümünü kapladı.
Daha da dikkat çekici olan, insan nöronları yerleştirilen farelerin bazı işlevlerinde iyileşme görülmesiydi.
Bu fareler, korteksleri eksik bırakılmış farelere kıyasla hafıza testlerinde ve diğer farelerle sosyal etkileşimlerde daha iyi performans gösterdi.
Pașca'ya göre bu bulgu, insan kortikal hücrelerinin kaybedilen bazı işlevlerin geri kazanılmasına katkıda bulunmuş olabileceğine işaret ediyor.
İnsan nöronları taşıyan farelerle normal fareler arasında önemli fizyolojik farklılıklar da ortaya çıktı.
Normal fareler beyindeki düşük oksijen koşullarına karşı insanlardan daha dayanıklı. Bu nedenle oksijen yetersizliğiyle bağlantılı insan beyin hastalıklarını fareler üzerinde modellemek her zaman gerçeği iyi yansıtmıyor.
Ancak insan nöronları taşıyan farelerin beyinleri oksijensiz bırakıldığında hayvanlarda yürüme sorunları ortaya çıktı.
Araştırmacılar bu daha insan benzeri tepkinin, serebral palsi, zihinsel gelişim bozuklukları ve epileptik ensefalopatiler gibi oksijen yetersizliğiyle ilişkili hastalıkları incelemek için daha gerçekçi modeller oluşturabileceğini düşünüyor.
Pașca, yöntemin hastalıkların mekanizmalarını anlamak ve yeni tedaviler geliştirmek açısından güçlü bir araç haline gelebileceğini belirtiyor.
Araştırmacılar deneyin tam bir beyin nakli olmadığının altını özellikle çiziyor.
Fare beyninden yaklaşık 14 milyon nöron çıkarılırken yerine yaklaşık 4 milyon laboratuvarda yetiştirilmiş insan kortikal nöronu eklendi.
Üstelik insan beyninin çalışması için gerekli diğer birçok hücre türü deneyde kullanılmadı.
Yerleştirilen insan nöronları da gerçek bir insan serebral korteksinin mimarisini oluşturmadı.
Normal insan korteksi epey düzenli katmanlardan meydana geliyor. Fare beynine yerleştirilen hücreler ise uzamsal olarak nasıl organize olacaklarını belirleyen gelişimsel sinyallere sahip olmadıkları için büyük ölçekte bu katmanlı yapıyı meydana getiremedi.
Pașca, hücrelerin adeta "yukarının ve aşağının neresi olduğunu bilmediğini" ve bu nedenle büyük ölçekli bir korteks halinde organize olamadığını söylüyor.
Öte yandan, hücrelerin gelişim hızında önemli bir özellik korundu: İnsan nöronları, çok daha hızlı gelişen bir hayvanın beyninde bulunmalarına rağmen büyük ölçüde insan hücrelerine özgü yavaş gelişim takvimini sürdürdü.
Bu nedenle araştırmacılar yöntemin özellikle insan gelişiminin erken dönemlerinde başlayan hastalıkları incelemek açısından kullanışlı olabileceğini düşünüyor.
Araştırmanın en dikkat çekici boyutlarından biri ise bilim insanlarının deneyin ne kadar devam edeceğine sınır koymasıydı.
Araştırma ekibi, insan beyin hücreleri yaklaşık 6 aylık gelişim seviyesine ulaştığında deneyleri sonlandırmayı tercih etti.
Bunun nedeni, hücrelerin daha ileri gelişim aşamalarında fare beyninde insan gelişimi araştırmacılarının bilinçle ilişkilendirdiği bağlantılardan birini oluşturma ihtimaliydi.
Yani olası "bilincin işaretleri" ortaya çıkmadan önce deneyi durdurmaya karar verdiler. Bu da yeni etik sorularını gündeme getiriyor.
Benzer yöntemlerin farelerden daha büyük ve uzun yaşayan hayvanlarda, örneğin insan dışı primatlarda uygulanması yeni sorunlar yaratabilir.
Bu hayvanların daha uzun yaşaması, insan nöronlarının da daha uzun süre hayatta kalmasına ve daha karmaşık, işlevsel açıdan anlamlı sinir devreleri oluşturmasına olanak sağlayabilir.
Ancak insan hücrelerinin hayvan beynine daha kapsamlı biçimde entegre olması, aynı zamanda hayvanın bilişsel kapasitesi ve ahlaki statüsü hakkındaki soruları çok daha ciddi hale getirebilir.