Aynı kavanozda birleşen 3 beyin zamanla birbirini “anlamaya” başladı!

İnsan beyninin bilgiyi nasıl işlediğini anlamaya çalışan bilim insanları, laboratuvarda yetiştirilen beyin organoidlerini bir araya getirerek dikkat çekici bir deney gerçekleştirdi. Tokyo Üniversitesi'nden Yoshiho Ikeuchi liderliğindeki ekip, üç insan beyni organoidini birbirine bağladı ve oluşturulan sinir ağını günler boyunca elektriksel uyarılara maruz bıraktı.

Beyinlerinin yarısı insana ait fareler geliştirildi! Bilim dünyasını şaşkına çeviren deney

ELEKTRİK SİNYALLERİ GÖNDERİLDİ

Araştırmanın sonunda üç organoidin oluşturduğu ağın, farklı noktalardan gönderilen elektrik sinyallerine birbirinden daha farklı tepkiler vermeye başladığı görüldü. Başka bir ifadeyle ağ, kendisine gelen sinyallerin kaynağını ayırt etme konusunda zaman içinde gelişme gösterdi.

Araştırmacılar bu sonucu, sinir ağının tekrarlanan girdiler karşısında işlevsel olarak yeniden şekillenmesi şeklinde değerlendirdi. Çalışma, özellikle birden fazla sinir dokusunun modüler biçimde birbirine bağlanmasının bilgi işleme kapasitesi açısından önem taşıyabileceğine işaret etti.

ÖNCE KÜÇÜK SİNİR DOKULARI ÜRETİLDİ

Deneyde kullanılan organoidler, insan kaynaklı indüklenmiş pluripotent kök hücrelerden (hiPSC) üretildi. Yeniden programlanarak kök hücre benzeri özellik kazandırılan bu hücreler, uygun laboratuvar koşullarında farklı hücre tiplerine dönüşebiliyor ve sinir dokusu oluşturabiliyor.

Ortaya çıkan küçük beyin dokuları, üzerinde çok sayıda mikroelektrot bulunan özel çiplere yerleştirildi. Böylece bilim insanları hem organoidlere elektriksel uyarı gönderebildi hem de bu uyarıların ardından oluşan elektriksel faaliyetleri kaydedebildi.

BİRBİRLERİYLE İLETİŞİM KURDULAR

Ekip daha sonra farklı deney düzenekleri oluşturdu: Bazılarında tek organoid, bazılarında iki organoid, bazılarında ise üç organoid birbirine bağlandı.

Organoidlerin birbirleriyle işlevsel bağlantılar kurabilmesi için iki haftadan uzun süre beklendi. Bu dönemde sinir hücrelerinin akson adı verilen uzantılar geliştirmesi ve diğer sinir hücreleriyle bağlantılar oluşturması sağlandı.

Kayıtlar, birbirine bağlanan organoidlerde eş zamanlı elektriksel faaliyetlerin ortaya çıktığını gösterdi. Böylece araştırmacılar, laboratuvarda birbirleriyle iletişim kurabilen daha karmaşık sinir ağları oluşturulduğunu gözlemledi.

İKİ HAFTA BOYUNCA AYNI DENEY TEKRARLANDI

Deneyin asıl dikkat çekici bölümü bundan sonra başladı.

Bilim insanları sinir ağlarını iki hafta boyunca her gün elektriksel olarak uyardı. Her gün iki farklı noktaya ayrı ayrı 100'er uyarı gönderildi. Ardından ağın başka bir bölümünde meydana gelen elektriksel faaliyet kaydedildi.

Üç organoidli sistemde iki farklı organoide ayrı ayrı sinyal gönderilirken üçüncü organoid adeta bir gözlem noktası olarak kullanıldı.

Amaç basitti: Üçüncü organoidin verdiği tepkiye bakarak, uyarının birinci noktadan mı yoksa ikinci noktadan mı geldiği anlaşılabilir miydi?

Araştırmacılar bunun için kaydedilen sinirsel faaliyetleri makine öğrenmesi algoritmalarıyla analiz etti.

ZAMAN GEÇTİKÇE DEĞİŞİMLER OLDU

Deneyin başında sonuçlar oldukça sınırlıydı. İki uyarı noktası birbirine benzer tepkiler oluşturduğu için algoritma sinyalin kaynağını yaklaşık yüzde 50 doğrulukla belirleyebildi. Yani sonuç, iki seçenek arasında rastgele tahmin yapmaya oldukça yakındı.

Fakat günler geçtikçe üç organoidin oluşturduğu ağda tablo değişmeye başladı.

ÜÇ ORGANOİD DEVREYE GİRİNCE SONUÇ DEĞİŞTİ

İki haftalık tekrarlanan uyarımın ardından üç organoidin birbirine bağlandığı ağlarda sinyal kaynaklarını ayırt etme becerisi belirgin biçimde gelişti.

Üçüncü organoidin elektriksel tepkileri, iki farklı uyarı noktasından gelen sinyallere karşı giderek daha farklı örüntüler sergiledi. Yanıtlar daha hızlı ve daha istikrarlı hale geldi.

Araştırmacılar aynı gelişmeyi tek organoidli veya iki organoidli sistemlerde gözlemlemedi.

Elektriksel uyarı uygulanmayan üç organoidli kontrol gruplarında da benzer bir değişiklik ortaya çıkmadı. Bu nedenle araştırmacılar, gözlenen farklılaşmanın yalnızca organoidlerin zaman içinde büyümesinden kaynaklanmadığı sonucuna ulaştı.

Çalışmada ayrıca üç organoidli ağlarda girdiyle bağlantılı mekânsal ve zamansal yanıtların ortaya çıktığı, sinir hücreleri arasındaki bağlantıların farklı biçimlerde yeniden düzenlendiği ve elektriksel yanıtların daha hızlı hale geldiği bildirildi.

“ÖĞRENEN MİNİK BEYİN" DEMEK DOĞRU MU?

Araştırmanın en dikkat çekici tarafı kadar, yanlış anlaşılmaması gereken yönü de burada ortaya çıkıyor.

Bilim insanlarının gözlemlediği durum, organoidlerin insan beyni gibi düşünmeye başladığı veya bilinç geliştirdiği anlamına gelmiyor.

Bunlar küçültülmüş insan beyinleri değil. Beynin bütün yapısını, duyusal sistemlerini, karmaşık bölgeler arası bağlantılarını veya insan davranışlarını yeniden oluşturmuyorlar.

Araştırmada gözlenen şey çok daha temel bir düzeyde gerçekleşti: Tekrarlanan elektriksel girdilerin ardından sinir ağı, iki farklı uyarı kaynağına daha farklı ve daha tutarlı yanıtlar vermeye başladı.

Bu nedenle çalışma, insan beynindeki öğrenmenin doğrudan laboratuvarda yeniden oluşturulduğunu göstermiyor. Bunun yerine, sinir ağlarının tekrarlanan girdiler karşısında bağlantılarını ve faaliyet biçimlerini değiştirebildiğini ortaya koyuyor.

BEYNİN ÇALIŞMA BİÇİMİNE DAİR YENİ İPUCU

İnsan beyninde de farklı bölgeler farklı görevlerde uzmanlaşırken birbirleriyle yoğun bağlantılar kuruyor. Tokyo Üniversitesi ekibinin çalışması, böyle modüler bir organizasyonun sinir ağlarının bilgi işleme kapasitesinde rol oynayabileceğini gösteren deneysel bir model sunuyor.

Araştırmacıların önceki çalışmalarında da birden fazla beyin organoidinin akson demetleriyle birbirine bağlanmasının daha karmaşık sinirsel faaliyetler oluşturabildiği gösterilmişti.

Yeni çalışma ise bu bağlantıların yalnızca daha karmaşık elektriksel faaliyet üretmekle kalmayabileceğini, tekrarlanan girdiler sonucunda ağın işlevsel olarak farklılaşmasına da katkı sağlayabileceğini ortaya koydu.

Bilim insanları bundan sonraki çalışmalarda daha karmaşık sinyaller ve görevler kullanmayı, ayrıca organoidlerin birbirleriyle iletişim kurmasını sağlayan ve ağ içinde farklı roller üstlenebilecek sinir hücrelerini belirlemeyi hedefliyor.

Çalışmanın sonuçları Communications Biology dergisinde yayımlandı.