Optogenetika

Beynin quruluşunu və işləyişini hüceyrə səviyyəsində öyrənmək olduqca məşəqqətli tapşırıqdır. Tapşırığı daha da çətinləşdirən ən bariz amillərdən biri də odur ki, beyində etdiyimiz təcrübi dəyişikliklərin ortaya çıxardığı yeni davranışları ancaq canlı heyvanlarda müşahidə edə bilərik. Odur ki, neyroelm tədqiq etdiyi sualları cavablandırmaq üçün çox həssas texnologiyalara ehtiyac duyur. Beyinə etdiyimiz dəyişikliklər maksimum dərəcədə spesifik olmalıdır ki, əldə olunan məlumatın səbəb-nəticə bağlantısına əmin ola bilək. Bu səmtdə, son onillikdə ərsəyə gətirilən zənnimcə ən güclü texnologiya optogenetikadır. Optogenetika bizə canlı heyvanın beyində müəyyən neyronların işləyişinə təsir etməyə və bunun hansı nəticələrə gətirib çıxardığını görməyə imkan verir. Bu məqalədə optogenetikanın iş prinsipi, texniki tərəfləri və neyroelmə necə tətbiq olunması ilə tanış olacağıq.


Yəqin ki, bir çox neyorelm tələbəsinin xəyalını qurduğu şey, öyrəndiyi, üzərində təcrübələr apardığı heyvanın davranışlarını neyronal səviyyədə başa düşməkdir. Davranışlarımızın, hisslərimizin, yaddaşımızın beyində necə ortaya çıxdığını öyrənmək üçün neyronların işləyişinə birbaşa təsir edə bilməliyik. Məsələn, beyində yaddaş əmələ gəlməsi üçün vacib bölgə olan hippokampusun beyindəki rolu H.M. adlı pasientdə cərrahi olaraq çıxarıldıqdan sonra kəşf olunmuşdur. Hippokampusu çıxarılan H.M. yeni yaddaş əmələ gətirə bilmirdi və beləcə məlum olmuşdu ki, həmin bölgə yaddaş üçün lazımlıdır (Şəkil 1). Hippokampus olduqca böyük, milyonlarla neyronun yerləşdiyi bir anatomik quruluşdur. Düşünün ki, bəzi funksiyalar bir və ya bir neçə neyronun aktivləşməsi sayəsində əmələ gəlir. Milyardlarla neyrondan ibarət beyində həmin neyronları necə öyrənməli? Optogenetikanın kəşfinə qədər belə təcrübələrin aparılması üçün heç bir üsul mövcud deyildi. Lakin, genetik mühəndisliyin inkişafı və haqqında danışacağımız neyroelmdən kənar kəşflər, optogenetikanın kəşfinə yol açdı ki, bu da öz növbəsində, neyronları daha dəqiq tədqiq etməyə imkan yaratdı.

null
Şəkil 1. Hippokampus. H.M adlı pasientdə cərrahi yolla çıxarılmış və yeni yaddaş əmələ gəlməsi üçün lazımi beyin strukturu.

Optogenetika canlı heyvanın və ya toxumanın spesifik hüceyrələrində müəyyən hadisələrə səbəb olmaq üçün istifadə olunan genetik və optik metodların birləşməsidir. Bu texnologiya hal-hazırda ən çox neyrobiologiyada heyvan davranışının neyral qaynaqlarını öyrənmək üçün istifadə olunur və üç əsas texniki hissəsi var: (i) işığa həssas yosun mənşəli opsin enzimləri, (ii) opsin enzimini istehsal edəcək genin spesifik hüceyrələrdə oxunması və (iii) işıq mənbəyi vasitəsilə beyində lazımi anatomik quruluşun işıqlandırılması. İndi isə gəlin optogenetika texnologiyasının necə işlədiyini başa düşmək üçün bu üç komponenti yaxından incələyək.

Opsinlər — təkamül ağacındakı ən qədim bakteriyalardan tutmuş insana qədər bir çox orqanizmlər tərəfindən istehsal olunan işığa həssas enzimlərdir. İşıq enerjisinin udulmasından sonra quruluşunu dəyişən bu enzimlər (Şəkil 2), hüceyrədə zəncirvari molekulyar proseslərin başlanmasına səbəb olurlar ki, bu da sözü gedən hüceyrəni və ya canlını işığa həssas edir.

Şəkil 2. Mavi işıq opsin enziminin quruluşunu dəyişir və müsbət yüklü ionların hüceyrəyə daxil olmasına şərait yaradacaq dəliyin əmələ gəlməsinə səbəb olur. (Mənbə: Biofiziki Kimya üzrə Max Planck İnstitutu)

Məsələn, insanın görmə hissini mümkün edən enzimlər—rodopsin və fotopsinlər də opsin ailəsinin üzvləridirlər. Opsin ailəsinə aid enzimlər hüceyrə xaricindəki işıq barədə hüceyrəyə məlumat ötürə bilmək üçün bir qayda olaraq hüceyrə membranında yerləşirlər. İnsanda (həmçinin digər onurğalılarda) rodopsin və fotopsinlərin funksiyası işıq enerjisini elektrik siqnalına çevirməkdir ki, bu siqnal neyronlarla beyinə ötürülür və görmə hissinin əmələ gətirir. Opsinlərin yaşıl yosunlardakı analoqu olan kanalrodopsinlər isə, bu canlılar tərəfindən fototaksis (işığa doğru yönəlmə) üçün istifadə olunur. Rodopsinləri işığa həssas edən faktor isə enzimin mərkəzində yerləşən və ona kimyəvi rabitə ilə bağlı olan trans-retinal molekuludur (Şəkil 3).

Şəkil 3. Trans-retinal molekulunun mavi işıq enerjisini udaraq quruluşunu dəyişməsi. Həmin bu dəyişiklik kanalrodopsin enziminin hissələrini bir-birindən aralayaraq hüceyrə membranında kanal əmələ gətirir. (Mənbə: OpenOptogenetics)

Yosunlarda trans-retinal mavi işıq qəbul etdikdə molekulun daha yüksək enerjili forması olan 13-cis-retinala çevrilir. Bir neçə karbonlu üzvi molekulun strukturundakı bu dəyişiklik bağlı olduğu enzimin hissələrini bir-birindən aralayaraq hüceyrə membranında kanal əmələ gətirir. Həmin kanaldan müsbət yüklü ionlar hüceyrə daxil ola bilir və beləcə işıq kanalrodopsin vasitəsilə hüceyrənin elektrik potensialının yüksəlməsinə səbəb olur. Əvvəlki yazılarımızdan bildiyiniz kimi, neyronlarda elektrik potensialının yüksəlməsi hərəkət potensialına səbəb olur və bu hadisə elektrik siqnalının növbəti neyrona ötürülməsi üçün vacibdir (1). Kanalrodopsinlər genetik modifikasiya sayəsində neyronlar tərəfindən istehsal edildikdə, xüsusi neyron qruplarının elektrik potensialını işıq vasitəsilə idarə etməyə imkan yaradır və buna görə də optogenetika texnologiyasının əsas komponentlərindəndir.

İkinci məsələ kanalrodopsinin biz istədiyimiz neyronlar tərəfindən istehsal edilməsini təmin etməkdir. Əvvəldə qeyd etdiyim kimi, optogenetikanın üstünlüyü xüsusi bir neyron qrupuna dəyişiklik edə bilmə bacarığıdır. Lakin, həmin spesifik neyron qrupuna necə varmalı? DNT-nin genetik mühəndislik metodlarıyla dəyişdirilə bilməsi molekulyar biologiyada artıq çoxdandır ki, olduqca adi bir prosesə dönüşüb. Lakin, xüsusi bir hüceyrə qrupunun DNT-sini dəyişdirmək heç də həmişə asan tapşırıq deyil. Hansısa hüceyrə qrupunda spesifik dəyişikliklərə səbəb olmaqdan ötrü, hədəfə aldığımız qrupa xas enzimlər barədə məlumatımız olmalıdır. Belə ki, DNT-dəki genlərin oxunması və enzim istehsalı digər enzimlər tərəfindən idarə olunur. Hüceyrədə bu işləri görən molekulyar aparaturanın əsas hissəsi eyni olsa da, bəzən hər genin özünə xas əlavə faktorlara ehtiyac olur. Misal üçün, hansısa dopamin neyronlarında DRRF (ing. Dopamine Receptor Regulating Factor) enzimi dopamin reseptorlarının (D2R) istehsalı üçün vacibdir. DRRF enzimi DNT-də dopamin reseptorunun geninin yerləşdiyi hissənin oxunması üçün digər lazımi apparaturanı DNT-yə cəlb edi, və yalnız bundan sonra D2R geninin məhsulu olan dopamin reseptoru istehsal olunur. Biz, DNT-də DRRF enziminin D2R-nin istehsalını başlatmaq üçün tanıdığı DNT parçasının kodunu öyrənə bilərik. Bu kod vasitəsilə bir növ üstünlük əldə etmiş oluruq. Belə ki, indi içində həmin kod olan DNT parçasını orqanizmin DNT-sinə yerləşdirdikdə, DRRF enzimi gəlib yeni yerləşdirdiyimiz DNT-nin oxunmasını və istehsalını təşkil edəcəkdir. Həmin kodun ardında yerləşdirdiyimiz DNT-nin nə olduğunun artıq fərqi yoxdur, DRRF istənilən genin oxunmasını və istehsalını təşkil edəcəkdir. Ona görə də, seçdiyimiz kod ancaq müəyyən hüceyrə qrupuna aid olmalıdır, əks təqdirdə DNT-yə daxil etdiyimiz gen bütün hüceyrələr tərəfindən oxuna bilər ki, bu bəzən işimizə yaramır. Kanalrodopsininin istehsalının dopamin neyronlarında olmağını istəyiriksə, kanalrodopsin genini DRRF-in bağlanacağı kiçik DNT parçasına bağlı şəkildə hüceyrəyə daxil edə bilərik. Sözü gedən genin hüceyrəyə yerləşdirilməsi isə əsəsən retroviruslar vasitəsilər aparılır. Retroviruslar çox kiçik genetik materiala sahib olurlar. Onlar çoxalmaq üçün öz genlərini daxil olduqları canlının geninə yerləşdirirlər və həmin canlı öz genləri ilə bərabər virusun da genlərini istehsal edir. Genetika mühəndisliyi retrovirusların genetik materialını dəyişməyə imkan verir və beləcə biz retrovirusun genləri arasında öz istədiyimiz geni öyrəndiyimiz orqanizmin DNT-sinə daxil edə bilirik (Şəkil 4).

Şəkil 4. Virusun genetik materialının hücəyrənin DNT-sinə daxil etməsi. (Mənbə: Cambridge University Press)

Optogenetikanın öhdəsindən gəlməli olduğu üçüncü problem isə kanalrodopsini aktivləşdirəcək işığı beynin lazımi hissəsinə çatdıra bilməkdir. Əvvəl dediyimiz kimi, kanalrodopsin işığa həssasdır və yalnız işıq enerjisini udduqdan sonra konfiqurasiyasını dəyişib neyronun aktivləşməsinə səbəb ola bilər. Amma düşünün ki, bizim aktivləşdirməyə çalışdığımız neyron qrupu beynin dərin qatlarında yerləşir. Bu halda biz kəllə sümüyünü açıb beynin səthinə işıq salmaqla bizə lazım olan neyron qrupuna təsir edə bilmərik. Odur ki, dərin qatlara gedib lazımi neyronları aktivləşdirə biləcək işıq mənbəyinə ehtiyac yaranır. Sözü gedən problem öz həllini son illərdə daha da məhşurlaşmaqda olan fiber optik texnologiyası sayəsində tapmışdır. Fiber optik texnologiyası insan tükü qalınlığında bir neçə qatlı silikon liflərlə işığın bir nöqtədən digərinə itirilməyə məruz qalmadan daşınılmasına imkan verir. Optogenetikada optik fiberin bir ucu lazerə, digər ucu isə cərrahiyə yolu ilə heyvanın beyində işıqlandırmaq istədiyimiz yerə birləşdirilir (Şəkil 5). Beləcə, lazeri yandırıb-söndürməklə lazımi neyron qrupunu istənilən vaxt aktivləşdirə bilirik.

Şəkil 5. Beyninə optik fiber yeridilmiş laboratoriya siçovulu. (Mənbə: Stanford Universiteti)

Optogenetikanın texniki və nəzəri tərəfləri haqqında məlumatlandıqdan sonra yəqin ki, bu texnologiyanın hansı tətbiqlərinin olduğu sizə maraqlı gəlməyə başlamışdır. Ümumi götürdükdə optogenetika neyronlardakı aktivliklə davranışın bir-birinə olan səbəb-nəticə bağlantısını öyrənməyə münbit şərait yaratmışdır. Bəzi qəliz davranış növləri var ki, onları heç təcrübə heyvanlarında belə öyrənmək asan deyil. Bu davranışların arasında ən maraq doğuranları heyvanların sosial əlaqə kontekstində nümayiş etdirdikləri davranışlardır. Məsələn, erkək siçanlar öz qəfəslərinə başqa erkək siçan daxil olduqda dərhal ona hücum edirlər. Təəccüblü deyil ki, qəfəsə gətirilən yeni siçan dişi olduğu təqdirdə bu növ aqressiya müşahidə edilmir, əvəzində o, cütləşməyə çalışır. İş orasındadır ki, bu iki fərqli davranışa səbəb olan neyronlar eyni anatomik quruluşda yerləşir və hətta Nature jurnalında dərc olunan bir məqaləyə qədər aqressiya və cütləşməyə səbəb olan neyron qruplarının bu iki davranış üçün ortaq ola biləcəyi düşünülürdü (2) (Yəqin razılaşırsız ki, bu, doğru olsaydı, erkək qövmünü qadınlar qarşısında lap pis vəziyyətdə qoyardı). Həmin məqalənin müəllifləri də məhz bu sualı cavablandırmaq üçün siçanların hipotalamusunun (aqressiya, cinsi aktivlik və s. bir çox davranış üçün önəmli beyin bölgəsi) xüsusi bir nöqtəsinə elektrodlar yeritmək, neyronların aqressiya və cütləşmə anında necə aktivləşdiyini izləmək qərarına gəlirlər. Bu təcrübənin nəticəsində məlum olur ki, doğurdan da erkək siçana qarşı aqressiya anında aktiv olan neyronların bəziləri dişi siçanla cütləşmə anında da aktivdir. Bu zaman bəzi suallar çıxırdı ortaya. Cütləşmə anında aktiv olan aqressiya neyronları dişiyə qarşı da aqressiya olduğunu göstərirdimi? Əgər cütləşmə anında aqressiya neyronlarının müəyyən qismi yox, hamısı aktiv olsaydı onda erkək siçan cütləşdiyi dişi siçana hücum edəcəkdimi? Bu sualların cavabını öyrənmək üçün məqalənin müəllifləri optogentik üsullarla aqressiya neyronlarını süni şəkildə aktivləşdirmək qərarına gəlirlər. Daha öncə təsvir etdiyimiz kimi, bunun üçün hipotalamusda tədqiq olunan neyronlarda genetik metodlarla kanalrodopsin istehsal etdirilir və həmin mövqe optik fiberlə illuminasiya edilir. Əldə olunan nəticələr olduqca maraqlıdır. İşıq vasitəsilə bütün aqressiya neyronları aktivləşdirildikdə siçan nəinki dişi siçana, o, hətta qəfəsindəki cansız əlcəyə belə hücum edir. Təcrübənin digər maraqlı nöqtəsi isə odur ki, cütləşmə anında bütün aqressiya neyronlarının aktivləşdirilməsi heç bir aqressiyaya səbəb olmur. Cütləşmə bitdikdən dərhal sonra aktivləşdirildikdə isə, erkək siçan gözlənildiyi kimi aqressiv davranış nümayiş etdirir. Hər iki təcrübənin gəldiyi toplam nəticə nədir bəs? Düzdür, hipotalamusda aqressiyaya səbəb olan neyron qrupunun içində bəzi neyronlar həm də cütləşmə anında aktiv olur. Lakin, cütləşmə anında aqressiyaya səbəb olan digər neyronları aktivləşdirmək qeyri-mümkündür. Yəni, eyni strukturda yerləşən bu iki neyron qrupu ortaq işləsələr belə, cütləşmə anında aktiv olan qrup digər aqressiya neyronlarına mane olur. (Beləcə, erkək qövmünün ancaq aqressiv yox, romantik-aqressiv ola biləcəyi ortaya çıxır.)

Zənnimcə, optogenetikanın daha maraqlı tətbiqi yaddaş əmələgəlməsi tədqiqatlarındadır. Təcrübi heyvanlarda optogenetikanın yardımı ilə saxta yaddaş implantasiyasının mümkünlüyü 4-5 il öncə neyroelm sahəsində böyük həyəcana səbəb olmuşdu. 2011-ci ildə Science jurnalında dərc olunan məqalədə Steve Ramirez’in laboratoriyasının siçanlarda saxta assosiativ yaddaş əmələ gətirməsi barədə nəticələri dərc edilmişdir (3). Eyni qrup, bu məqalədən əvvəl, hippokampusda mühitlə əlaqədar yaddaşın yaranması üçün lazımi neyronlar qrupunun varlığını göstərmişdilər. Növbəti hədəf isə həmin mühitə uyğun saxta yaddaş əmələ gətirmək idi. Məqalənin detallarına varmazdan əvvəl isə şərtləndirmə və mühit mövhumlarını nəzərdən keçirək. Mühit dedikdə heyvanın hər hansı təcrübədə olduğu yerdir. Tutaq ki, siçanı göy rəngli qutuya qoyuruq və orada çox kiçik elektrik şoku verilir. Təbii olaraq siçan elektrik şokundan qorxur. Bu təcrübədə biz mühiti (yəni, göy qutunu) şərtləndirmiş oluruq. Gələn dəfə, siçan həmin qutuya qoyulanda qorxu əlamətləri göstərəcək—bir nöqtəyə qısılıb elektrik şokunun nə vaxt gələcəyini gözləyəcək. İndi isə məqaləyə qayıdaq. Saxta yaddaş necə köçürülür? Optogenetika üçün kanalrodopsinə ehtiyacımız olduğunu xatırlayırsınız yəqin. Məqalənin müəllifləri kanalrodopsinin istehsalını olduqca maraqlı bir vasitə ilə çox kiçik neyronlar qrupuna limitləməyi bacarırlar. Təcrübədə siçanlar yeni mühitə daxil edilir (A mühiti) və onlar öz adətləri üzərə mühiti öyrənməyə, yəni A mühiti barədə yaddaş əmələ gətirməyə başlayırlar. Bunun üçün müəlliflər davamlı aktivləşən neyronlarda c-fos adlı enzimin miqdarının artmağından istifadə edirlər. Yeni bir yaddaş əmələ gəlmə prosesi, hansısa neyronların davamlı aktivləşməsi və aralarındakı rabitəni gücləndirməsi deməkdir. Davamlı aktivləşmə həm də həmin neyronlarda yüksək c-fos istehsalına səbəb olur. C-fos özü isə, bir çox geni aktivləşdirmək qabiliyyətinə malikdir. Bundan istifadə edən müəlliflər, siçanların hippokampusuna göndərdikləri kanalrodopsin daşıyan retrovirus geninə, həm də c-fos enziminin bağlana biləcəyi DNT kodu yerləşdirirlər. Beləcə, kanalrodopsin ancaq yeni yaddaş əmələ gələn və dolayısıyla, c-fos enziminin çox olduğu neyronlarda istehsal edilir. Təcrübədə A mühitini öyrənən siçanlar özləri də bilmədən aktivləşdirdikləri neyronları həm də kanalrodopsinlə “işarələyirlər.” Daha sonra siçanlar B mühitinə qoyulur, lakin optik fiberlə A mühitinin yaddaşına uyğun neyronlar aktivləşdirilərkən onlara elektrik şoku verilir. Sizcə siçanlar elektrik şokunu hansı mühitlə əlaqədar olduğunu yadda saxlayırlar? Növbəti gün onlar A mühitinə qoyulduqda donma davranışı sərgiləyirlər, digər mühitlərdə isə yox. Deməli, A mühitində heç vaxt elektrik şoku verilmədiyinə baxmayaraq, saxta yaddaşdan dolayı siçanlar bu mühitdən qorxurdular.

Bu təcrübə göstərir ki, yaddaş əmələ gəlmə prosesi neyronal səviyyədə olduqca konstruktiv bir prosesdir və anatomik dəyişiklərdən asılı olaraq dəyişilə bilər. Yaddaş formalaşması həm də beynin olduğu vəziyyətdən çox asılıdır. Məsələn, hansısa hadisə baş verərkən içkili olan şahidin məhkəmə prosesində hakimə verdiyi məlumatlar nə dərəcədə doğrudur? Hətta, biz özümüz bir çox yaddaşlarımızı istədiyimiz formada dəyişməyə meylliyik. Bir müddət sonra yadımızda olanlar, xəyallarımız, olmasını istədiyimiz şeylərlə qarışa, yeni və saxta yaddaşlar əmələ gətirə bilərlər. Yaddaşın dəyişməsi prosesi isə ən çox biz onları xatırlayanda baş verir. Çünki, illər sonra həmin hadisələri başqa perspektivdən, daha çox təcrübə ilə dəyərləndirə billirik və sonda baş vermiş hadisənin yeni bir versiyasını yaratmış oluruq (4). Odur ki, kimsə uşaqlığından danışanda həmişə nəzərə alın ki, eşitdiyiniz hekayənin kiçik də olsa bir hissəsi nəql edənin xəyal gücünün məhsulu ola bilər.

Mənbələr

1. Alışbəyli, Ə. (2016). Neyronların dili. Elmi Spektr (1) 2, 15-21.\

2. Lin, D., Boyle, M. P., Dollar, P., Lee, H., Lein, E. S., Perona, P., & Anderson, D. J. (2011). Functional identification of an aggression locus in the mouse hypothalamus. Nature, 470(7333), 221–226.

3. Schacter, D. L., Guerin, S. A., & St. Jacques, P. L. (2011). Memory distortion: An adaptive perspective. Trends in Cognitive Sciences, 15(10), 467–474.

4. Ramirez, S., Liu, X., Lin, P.-A., Suh, J., Pignatelli, M., Redondo, R. L., … Tonegawa, S. (2013). Creating a false memory in the hippocampus. Science (New York, NY), 341(6144), 387–391.


Foto: Lazerlərdən çox fərqli kontekstlərdə istifadə olunur. Kimiləri lazeri qızların gözünə işıq tutmaq üçün, kimisi neyronları spesifik şəkildə qıcıqlandırmaq üçün, kimisi də müxtəlif silahların bir hissəsi olaraq.

Bir cavab yazın

Sizin e-poçt ünvanınız dərc edilməyəcəkdir.

Begin typing your search term above and press enter to search. Press ESC to cancel.

Yuxarı qayıt