Kavanozdaki üç beyin birbirini anlamaya başladı

İnsan beyninin bilgiyi nasıl işlediğini anlamaya çalışan bilim insanları, laboratuvarda yetiştirilen beyin organoidlerini birbirine bağlayarak yeni bir deney gerçekleştirdi.

Tokyo Üniversitesi’nden Yoshiho Ikeuchi liderliğindeki ekip, insan kaynaklı kök hücrelerden üretilen üç beyin organoidini birbirine bağladı. Araştırmacılar daha sonra oluşturulan sinir ağını günler boyunca elektriksel uyarılara maruz bırakarak ağın verdiği tepkileri kaydetti.

Çalışmanın sonunda, üç organoidin oluşturduğu ağın farklı noktalardan gönderilen elektriksel sinyallere daha farklı tepkiler vermeye başladığı görüldü.

Üç organoid birbirine bağlandı

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 dönüşerek sinir dokusu oluşturabiliyor.

Araştırmacılar, oluşan küçük sinir dokularını çok sayıda mikroelektrot içeren özel çiplere yerleştirdi. Bu sistem sayesinde organoidlere elektriksel uyarı gönderilirken, uyarıların ardından ortaya çıkan elektriksel faaliyet de kaydedildi.

Ekip deney kapsamında tek, iki ve üç organoidin birbirine bağlandığı farklı sistemler oluşturdu.

Organoidlerin işlevsel bağlantılar kurabilmesi için iki haftadan fazla beklendi. Bu süreçte 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.

İki farklı sinyalin kaynağını ayırt edebildi

Deneyin ikinci aşamasında araştırmacılar sinir ağlarını iki hafta boyunca her gün elektriksel olarak uyardı.

Her gün iki farklı noktaya ayrı ayrı 100'er elektriksel uyarı gönderildi. Ardından ağın başka bir bölümünde meydana gelen elektriksel faaliyet kaydedildi.

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

Araştırmacılar, üçüncü organoidin verdiği elektriksel tepkiye bakarak uyarının iki kaynaktan hangisinden geldiğinin belirlenip belirlenemeyeceğini test etti.

Kaydedilen sinirsel faaliyetler makine öğrenmesi algoritmalarıyla analiz edildi.

Deneyin başlangıcında algoritmanın sinyalin kaynağını belirleme doğruluğu yaklaşık yüzde 50 düzeyindeydi. İki seçenek arasında yapılan tahmin açısından bu oran rastgele tahmine yakındı.

Ancak tekrarlanan uyarılar sonrasında üç organoidin oluşturduğu ağın verdiği yanıtlar farklılaşmaya başladı.

Tekrarlanan uyarılar sinir ağının faaliyetini değiştirdi

İki haftalık uyarımın ardından üç organoidli ağlarda iki farklı kaynaktan gelen sinyallere karşı daha farklı elektriksel örüntüler oluştu.

Araştırmacılar, yanıtların daha hızlı ve daha istikrarlı hale geldiğini belirledi. Sinyalin kaynağını ayırt etme becerisindeki bu gelişmenin tek organoidli veya iki organoidli sistemlerde aynı şekilde görülmediği aktarıldı.

Elektriksel uyarı uygulanmayan üç organoidli kontrol gruplarında da benzer bir değişiklik gözlenmedi.

Araştırmacılara göre bu sonuç, gözlenen değişimin yalnızca organoidlerin zaman içinde büyümesinden kaynaklanmadığına işaret ediyor.

Çalışmada ayrıca üç organoidli ağlarda girdilerle bağlantılı mekânsal ve zamansal yanıtların ortaya çıktığı, sinir hücreleri arasındaki bağlantıların farklı biçimlerde yeniden düzenlendiği ve elektriksel yanıtların hızlandığı bildirildi.

“Öğrenen mini beyin” sonucu çıkarılamaz

Araştırmanın sonuçları, organoidlerin insan beyni gibi düşünmeye başladığı ya da bilinç geliştirdiği anlamına gelmiyor.

Organoidler insan beyninin küçültülmüş birer kopyası değil. Beynin bütün yapısını, duyusal sistemlerini, karmaşık bölgeler arasındaki bağlantıları veya insan davranışlarını yeniden oluşturmuyorlar.

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

Dolayısıyla çalışma, insan beynindeki öğrenme sürecinin laboratuvarda yeniden oluşturulduğunu göstermiyor. Bunun yerine sinir ağlarının tekrarlanan girdiler karşısında bağlantılarını ve faaliyet biçimlerini değiştirebildiğine ilişkin deneysel bir model sunuyor.

Daha karmaşık sinir ağları araştırılacak

İnsan beyninde farklı bölgeler farklı işlevlerde uzmanlaşırken birbirleriyle yoğun bağlantılar kuruyor. Araştırmacılar, üç organoidin birbirine bağlanmasıyla oluşturulan sistemin bu tür modüler sinir ağlarının bilgi işleme kapasitesini incelemek için kullanılabileceğini belirtiyor.

Ekibin önceki çalışmalarında da birden fazla beyin organoidinin akson demetleri aracılığıyla birbirine bağlanmasının daha karmaşık sinirsel faaliyetler oluşturabildiği gösterilmişti.

Yeni çalışma ise bu bağlantıların, yalnızca daha karmaşık elektriksel faaliyetler üretmekle kalmayıp tekrarlanan girdiler karşısında ağın işlevsel olarak farklılaşmasına da katkı sağlayabileceğine işaret ediyor.

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

Araştırmanın sonuçları Communications Biology dergisinde yayımlandı.

(Haber Merkezi)