Özgün Adı: Manipulating Memory through Optogenetics: A Conversation with Neuroscientists Xu Liu and Steve Ramirez
Anne West The Psych Report’da stajyer editör ve Wellesley College’da öğrencidir.
Bu yazı 2017’de Behavioral Scientist’in bir parçası olmadan önce orijinal olarak “The Psych Report”ta yayımlanmıştır.
MIT’de çalışmakta olan nörobilimciler Xu Liu ve Steve Ramirez, yalnızca bilim kurgularda mümkün olabileceği düşünülen fikirleri birkaç yıldır gerçeğe dönüştürüyorlar. Liu ve Ramirez, laboratuvarlarında farelerde yapay anılar yaratmayı başardılar. Çalışmaları, nörobilimcilerin beyindeki öğrenme ve belleği kontrol etme, düzenleme ve manipüle etme konusunda artan yeteneklerini gösteriyor. TEDx Boston konuşmasında Ramirez bu artan yetenek hakkında, “Görünürdeki gizemli özellikleriyle zihin, aslında kurcalayabileceğimiz fiziksel şeylerden oluşur” diyor.
Liu ve Ramirez’in beyni keşfetmesine, kurcalamasına ve manipüle etmesine olanak tanıyan araç optogenetik: Işığa duyarlı bir proteinin DNA’sının belirli (hedeflenen) nöronlara yerleştirildiği ve bu nöronların ışık flaşları sayesinde açılıp kapatılabildiği bir teknik. (Optogenetiğin nasıl çalıştığına dair kısa bir giriş videosu için MIT’nin McGovern Beyin Araştırmaları Enstitüsü tarafından hazırlanan bu videoyu izleyebilirsiniz.)
Geçtiğimiz 10 yılda geliştirilen optogenetik, araştırmacıların beynin fonksiyonlarını anlamalarına ve beyin hastalıklarını tedavi etmelerine yardım etme konusunda muazzam bir potansiyel gösterdi. Bunun sebebiyse, elektriksel uyarım (stimulation) ya da farmakolojik yöntemlerin aksine bu tekniğin, nöronların hassas bir şekilde aktivasyonuna ve deaktivasyonuna izin vermesi. Liu ve Ramirez’in çığır açan deneylerini gerçekleştirmelerine izin veren de işte bu hassasiyet. Öğrenme ve bellek çalışmalarına ek olarak optogenetik; ağrı, bağımlılık, uyku ve sosyal davranış çalışmalarında da kullanıldı ve Beyaz Saray’ın BEYİN girişiminin (BRAIN initiative) başarısı için oldukça kritik bir teknoloji olduğu vurgulandı.
Biz de yakın zamanda Liu ve Ramirez ile MIT’deki Tonegawa Laboratuvarında buluştuk ve farelerde nasıl sahte anılar yaratabildiklerini ve optogenetik araştırmaları adına geleceğin neler getirebileceğini tartıştık.
Anne West: Farelerde sahte korku anıları oluşturabilmenizin arkasındaki mantığı anlatabilir misin?
Xu Liu: Bellek katı, değişmez bir şey değil. Aslında ne zaman bir şey hatırlasan (recall), o anıya dair beyninde depolanmakta olan bellekte bazı değişiklikler yaparsın. Bellek bu yüzden zaman içinde evrimleşir. Sorduğunuz araştırmada Steve (Ramirez) ile birlikte bir anının hatırlanmasını sağladık, fakat aynı zamanda hayvana yeni bilgiler de verdik. Bu yeni bilgiler, yeniden etkinleştirilen/hatırlanan belleğe dahil edilir ve tekrar depolandığında belleği değiştirir. “Yapay (artificial)” veya “sahte (false)” olarak adlandırılan belleği farelere bu şekilde yerleştirdik. Bu metot, her türden belleğin başına gelen normal bir fenomene dayanıyor.
AW: Bir fareye sahte bir korku anısını nasıl yerleştirebildiniz?
XL: Bir anının oluşumunda aktif olan hücreleri etiketlemenin yollarını bulabilir ve sonrasında beyinde tam olarak aynı hücre grubunu aktive etmek için optogenetik teknolojisini kullanabiliriz. Bunu yaparak bir anıyı hatırlayabiliriz. 2012’deki çalışmamızda bir bağlam veya belirli bir ortam (kutu 1) hakkında nötr bir anının hatırlanmasını hayvan farklı bir kutudayken (kutu 2) ışık kullanarak etkinleştirdik ve aynı zamanda hayvana şok verdik. Kutu 1’e dair aktive olan belleği, kutu 2’deki gerçek şokla yapay olarak birleştirmek istedik. Hayvana aslında kutu 2’de şok veriliyordu fakat deney boyunca hayvan kutu 1’de şoklandığına inandırıldı. Daha sonra hayvanı kutu 1’e geri koyduğumuzda donup kalma (freezing) davranışı sergiliyordu ve bu da kutu 1 ile şoku ilişkilendirdiği için bir korku belleği oluşturduğunu gösteriyordu.
AW: Sahte bir korku belleği yaratan bu deneyi tasarlarken, öğrenme ve bellekle ilgili hangi geniş çaplı soruları yanıtlamaya çalışıyordunuz?
XL: Bu deneyin çalışmasının tüm nedeni, belleğin yeni bilgiler sunulurken sahte bir anı oluşturabilmemize olanak tanıyor oluşu.
SR: Benim cevabım da tam olarak aynı. Bu deney bize 2 şey anlatıyor. Belleğin geçmişe dair bir teyp kaydedicisi olmadığını insan ve hayvan çalışmalarına dayanarak zaten biliyoruz. Aslında bellek, geçmişe dair bazı parçaların hatırlandıkça yeniden geçmişe “yapıştırıldığı” ve bu nedenle de geçmişin tam olarak doğru temsilini yapmayan “yeniden yapılandırıcı” (re-constructive) bir süreçtir. Pek çok davranışsal nörobilimci, bellek modifikasyonlara tabi olduğundan “değişken” terimini kullanır. Fakat bir anıyı yapay olarak değişken hale getirip ona ayak şokları şeklinde yeni bilgiler ekleyebilir miyiz? Bu bize hipokampusun ne yapıyor olduğuna dair çok şey söyleyebilir: Eğer hipokampus bu anıların yeniden canlandırılmasında ve değişken hale gelmesinde görev alıyorsa, yeni bilgilerin bu süreçle eşzamanlı olarak sağlanışı o anıya bu yeni bilgileri ekleyebilir.
AW: Öğrenme ve belleği test etmek için neden optogenetik kullanmayı seçtiniz?
SR: Optogenetik, belirli hücre kümeleri üzerinde benzeri görülmemiş bir kontrol sağlıyor. Optogenetikten önce hiçbir araç (belki elektrik akımı kullanmak dışında) beynimizin çalıştığı milisaniyelik zaman ölçeklerinde hareket edemiyordu. Elektrik kullanmak konusundaki problem ise, örneğin hipokampus içerisinde belirli bir belleği destekleyen belirli bir hücre grubunu hedeflediğinizde, akımı yalnızca bu hücrelere yöneltmenin -beyin zaten halihazırda elektriği ana iletişim aracı olarak kullandığından- imkânsız oluşudur. Eğer hedeflediğiniz bölgeye gider ve beynin bir kısmını ayrım gözetmeksizin uyarırsanız, hedeflediğiniz bellekten sorumlu olan hücrelerden çok daha fazlasını uyarmış olursunuz. Optogenetikle ilgili güzel kısım şu ki, beyin hücreleri normalde ışığa tepki vermediğinden bu teknikte ışığa tepki veren hücreler yalnızca ışığa tepki vermesi için kandırdığınız hücreler oluyor. Bu durumda beyne ışık verip hedeflenmeyen komşu hücreleri uyarmadan sadece seçtiğiniz hücreleri aktive ya da inhibe edebiliyorsunuz. Yani beyni, iletişim kurduğu zaman ölçeğinde araştırıyorsunuz, ki optogenetiği inanılmaz bir teknik yapan şey de bu.
AW: Fare beyninde optogenetik kullanan çalışmanızın insan beyninde öğrenme ve bellek anlayışımız için ne gibi etkileri var?
SR: Buradaki en önemli şey, belli bir anı üzerinden etkili olan belirli bir grup hücre üzerinde hızlı ve optik bir kontrole sahip olabildiğimizi göstermemiz. Bunu yapabilmemiz bile bilimin gücünün bir kanıtıdır. Bu fikrin insanlar için uyandırdığı yankı, bu fikrin çok güçlü olmasında yatıyor: Artık belli bir anıyı hatırlamamızı sağlayan belirli bir hücre grubu üzerinde kontrol sahibiyiz. Bu alanın insan olmayan primatlarda veya insanlarda benzer deneyler yapmasının önündeki tek engel teknolojik adaptasyon.
Artık soru, “Bir anıyı yeniden etkinleştirebilir miyiz?” değil, çünkü bunun cevabı “Evet”. Şimdi soru şu: “Bu projeyi insan olmayan primatlarda gerçekleştirebilecek şekilde -etik kaygıları göz önünde bulundurarak- nasıl büyütebiliriz?” Ama bu artık bir “eğer” meselesi değil “nasıl yapabiliriz” meselesi, çünkü artık en azından farelerde bunu yapabildiğimizi biliyoruz.
AW: Optogenetiğin insanlarda 10 yıl içinde kullanılabileceğini hayal ediyor musunuz?
SR: İnsan olmayan primatlarda zaten kullanılıyor. Doğru soru sorulursa -örneğin nöbetler (seizures)- insanlarda da kullanılabileceğini görüyorum. Belirli nöbet türlerinin beyinde öncü bir odak noktası olduğunu biliyoruz. Küçük bir beyin hücresi topu, kontrolsüz bir şekilde ateşlenmeye başlar ve domino etkisiyle tüm beyni ele geçirir, bu da nöbetlere sebep olur. Peki ya ışığımızı sorun çıkaran hücre topuna yönlendirebilseydik? Geleneksel tedavi yönteminde beynin içine girip sorunlu dokuyu beyinden çıkarmanız gerekirdi. Ya sorun çıkaran bu dokuyu ışığa hassas hale getirebilseydik ve o bölgeden bize sinyal gönderebilecek bir ışık kaynağımız olsaydı, böylece o bölgedeki nöral aktivite nöbet oluşturacak bir seviyeye geldiğinde o ışık kaynağından bir sinyal alsaydık ve bu bölgedeki aktiviteyi durdurabilseydik? Bu basit değil, ancak bu konsepti uygulamak kolay.
Belleği yeniden etkinleştirmek ya da etkisiz hale getirmekse bence tamamen farklı bir olay. Prensipte bu mümkün fakat gerekli teknoloji henüz mevcut değil. Uygulandığını görmeyi çok isterim ve bu olay sadece bir devrim uzakta, fakat şu anda bunun mümkün olduğunu düşünmüyorum. Beynin içine bakabilmek için elimizdeki en iyi yöntem fMRI (fonksiyonel manyetik rezonans görüntüleme) ve bu yöntemle ulaşabildiğimiz çözünürlükle yalnızca on binlerce beyin hücresini görebiliyoruz, oysa bu hücre denizinde spesifik bir anıyı bulabilmek çok zor. Teknoloji henüz buna yetmiyor.
AW: İnsan vücudunda beyin haricindeki hücreler için herhangi bir potansiyel optogenetik uygulaması var mı?
XL: İnsanlar sadece nöronlara değil, diğer hücre türlerine de uygulanabilecek her türlü aracı geliştirmeye çalışıyorlar. Genlerin transkripsiyonunu ve translasyonunu, veya hücrelerdeki diğer moleküler sinyal yolaklarını kontrol etmek için ışığı kullanabilirsiniz. Bunu yaparak sadece beyindeki nöronlara değil, aynı zamanda diğer hücrelere de ışık kontrollü manipülasyon uygulayabilirsiniz. Bu tarz uygulamalar, kanser veya diyabetin tedavisi olabilir. Bugünlerde insanlar optogenetiğin kapsamını genişletmek için giderek daha fazla araç geliştiriyorlar. Ben bunu çok heyecan verici bir başlangıç olarak görüyorum.
AW: Genel olarak yaptığınız işle veya optogenetik araştırmalarınızla ilgili en sık yanlış anlaşılan konsept nedir?
SR: Öncelikle, sahte anılar yarattığımız için özellikle 2012 makalemiz hakkında çok fazla sansasyon var. Makalemizde en çok yanlış anlaşılan şeylerden biri; bir anıyı tepeden tırnağa, sıfırdan inşa ederek belleğe yerleştiriyoruz zannedilmesi. Halbuki biz beyinde zaten var olan ögeleri yeniden birleştiriyoruz.
Ayrıca, farelerle yapılan bu deney ile insanlarda sahte anılar arasındaki ilişki belirsiz. Birbirleriyle ne kadar ilişkili olduklarını görmenin yolları var, ancak bu uygulamanın önümüzdeki yıllarda insanlarda kullanılabileceğini söyleyen çok fazla sansasyon vardı. Bu bir yanlış anlaşılmadır, çünkü bu tarz işler evrim merdiveni boyunca hiçbir zaman o kadar hızlı ve mükemmel şekilde aktarılamaz. Konunun uyandıracağı etik yankıları hesaba katmasanız bile, farelerle çalışmaktan insanlarla çalışmaya geçişi sağlamak için aşılması gereken çok fazla engel var. Fareler ve insanlar arasındaki bu paralelliği çabucak çizen insanlar, bunun bir gecede olacağını düşünüyorlar, fakat olmayacak. Prensip olarak muhtemelen bir noktada olacak ama yakın bir zamanda değil.
AW: Farelerde öğrenme ve belleği incelemek için optogenetik kullanan araştırmanızın en zorlu kısmı neydi?
XL: Yeni bir konseptiniz olduğunda, bu konsept bazen alandaki insanların karşı çıkacağı kadar yenidir. Örneğin, çalışmamızı bir hibe teklifi (grant proposal) olarak ilk yazdığımızda ve fon almak için NIH’e (Ulusal Sağlık Enstitüsü) gönderdiğimizde insanların endişeleri yüzünden bu teklif reddedildi. İnsanlar bunun işe yarayacağını düşünmüyordu. Ama neyse ki Dr. Susumu Tonegawa bize epey destek vererek bunun iyi bir fikir olduğunu ve üzerinde çalışmamız gerektiğini söyledi. Sonraki 2 yıl içinde de bu metot üzerinden 2 mükemmel makale yayımladık.
Bazen, yeni bir fikir ortaya çıktığında biraz dirençle karşılaşırsınız. Artık bu metot mümkün olduğu için dünyanın her yerinde insanlar laboratuvarlarında bu tarz deneyler yapıyorlar. Yani bir pencere açıyorsunuz ama pencereyi açtığınızda herkes içeri atlıyor. Kalabalıktan daha önce düşünmeniz gerekiyor: “Bundan sonra ne yapacağım?”. Tamamen aynı şeyi yapamayacağınız aşikâr. O durumda işin eğlenceli kısmı yok olur. Yeni hedefler, üzerinde çalışılacak yeni alanlar belirlemelisiniz.
SR: Her bilim insanının bu konuda farklı bir felsefesi var. Xu ve ben, kariyerlerimizi dentate (gyrus) -Liu ve Ramirez’in bu yazıda bahsedilen korku devrelerinin bulunduğu beyin bölgesi- bölgesinde bir korku belleğinin yeniden aktivasyonunu açıklayarak geçirebilirdik. Bunun sıkıcı olacağını söyleyemem ama eskisi kadar da heyecan verici olmazdı. Yeniden aktivasyon kısmından sonra, “A, B, C, D, E, F, G bölgelerinde de korku belleğini yeniden aktive edebilir miyiz?” diye test edebilirdik. Alın size koca bir kariyer. Bazı insanlar gerçekten de böyle yapar. Ama Xu ve benim için eskiden sıradaki sorular sahte bellek sorularıydı; şimdi ise sıradaki sorular pozitif anılarla, depresyonla, sosyal bellekle ilgili sorular.
Bir tür belleğin neye benzediğinin küçük bir kısmını açıklayacak küçük soruları sormak bizim tarzımız değil. Bizim tarzımız daha çok, “Bu alanı incelemenin yepyeni bir yolunu açabilecek bir sonraki büyük soru nedir?” tarzında sorular. Bunlar çok heyecan verici. Evet bu tarz sorular zor, meşakkatli ve onlarla ilgili araştırmaları yürütmek de çok zor. Bu araştırmalara karşı çok fazla dirençle de karşılaşabiliyorsunuz. Fakat bu kadar büyük bir soru soruyorsunuz ve bununla alakalı bir keşif yapıyorsunuz. Gerçeklikle bir ilişki kurduğunuzda size en büyük adrenalin coşkusunu verenler işte bu sorular oluyor.
AW: Eklemek istediğiniz başka bir şey var mı?
SR: Herkese bir tavsiye niteliğinde söyleyebileceğim şey şu ki, bu sorduğumuz bilim-kurgu tadındaki sorular ve farelerde bir dereceye kadar yürütebildiğimiz çalışmalar devasa bir iş birliğinin ürünü. Bugünlerde akademik ortamın ne kadar rekabetçi ve zorlu olabileceğini biliyorum fakat böyle olmak zorunda değil. Bu projelerin bu hızda sonuçlanabilmesinin nedeni, Xu ve benim ekip arkadaşları olmamızdı. Her iki proje için de birbirimize çok yardımcı olduk. Bu devasa ve ekip odaklı bir çalışmaydı. Her şeyden önce çalışmamızı eğlenceli kılan ve iki kat hızlı ilerlemesini sağlayan buydu: Sonuçta iki beyin bir beyinden iyidir. Şimdi bu proje üzerinde çalışan koca bir ekip var. Kariyerimin geri kalanında bu takım odaklı ruhu sürdürmek istiyorum, çünkü bunu yaparken çok eğlendim.
XL: Kendi küçük sırrınızı saklayabilirsiniz, fakat bu çok uzun sürmez. “X Takımı” olarak adlandırdığımız ekibimiz muazzam şekilde genişliyor. Bu ekipte benzer yöntemleri kullanan ancak daha önce hiç düşünmediğimiz, farklı tipte yaratıcı sorular soran insanlar var. Herkesin kendine ait parlak fikirleri var, fakat fikirlerimizi bir araya getirirsek iş birliği yapabiliriz ve bu bizim için çok daha heyecan verici anlar yaratacaktır.
Aydınlatma: Anne West daha önce Xu Liu’nun laboratuvarında staj yaptı.
Notlar
[1] Ç.N: Yazının hemen başında, bu röportajın 2014’te yapıldığını belirtmekte fayda var. Benim bu röportajı 2021’de çevirme isteğimin sebebiyse röportaj yapılan iki nörobilimcinin de optogenetik ile yapılan öncü çalışmalarda önemli rollerinin olması ve bu çalışmaları röportajda oldukça anlaşılır ve sade bir dille özetlemiş olmaları.
[2] Burada “hassas” kelimesi, hangi nöronlar manipüle edilmek isteniyorsa, başka nöronları etkilemeden o nöronların (çok yüksek bir isabet yüzdesiyle) manipüle edilebilmesi anlamında kullanılmaktadır.
[3] Hayvan kutu 1’deyken, o kutuya dair belleğinin oluşumu sırasında aktive olan hücreler daha sonra (hayvan kutu 2’ye konulduğunda) ışıkla uyarılmak (aktive edilmek) üzere etiketleniyor.
[4] Yani artık gerçekleştirilebildiği farelerde ispat edilen bir fenomenin, primatlarda nasıl gerçekleştirilebileceğini sorguluyoruz.
