Bilim adamları, hayvanları daha sosyal hale getirmeyi veya OKB benzeri semptom risklerini azaltmayı hedefleyebilecekleri farelerde yapay elektrik sinapsları üretmek için gen düzenlemesini kullandılar.
Sinir hücreleri renkli olarak etiketlenmiş bir bütün fare beyninin bir bölümünün ışık mikrografı
Mesajları beyin aracılığıyla taşıyan elektrik sinapsları, ilk kez memelilerde yapay olarak tasarlanmış ve davranışlarını değiştirmiştir. Bu, obsesif kompulsif bozukluk (OKB) dahil olmak üzere bir dizi zihinsel sağlık durumunu önleme veya tedavi etme potansiyeline sahip olabilir.
Sinir hücreleri arasındaki bağlantılar veya sinapslar elektrik veya kimyasaldır. Memelilerde daha yaygın olan kimyasal olanlar, nörotransmitter adı verilen molekülleri içerirken, elektrik sinapsları konnexin adı verilen proteinlere dayanır.
Kuzey Carolina, Durham’daki Duke Üniversitesi Kafui Dzirasa, nörotransmitter tabanlı sinyal sisteminde bir şeyler ters gittiğinde birçok akıl sağlığı durumunun ortaya çıktığını söylüyor. “Oraya elektriksel bir sinaps koyarak hücreler arasındaki kimyasal sinapsları atlamanın bir yolunu tasarlayıp sağlamayamayacağımızı bilmek istedik.”
İlk olarak, Dzirasa ve meslektaşları, farelerde elektriksel sinaps oluşturmak için kullanılabilecek diğer organizmalardan proteinleri aradılar. Benzer iş daha önce nematod solucanında yapıldı Caenorhabditis elegansancak bu hayvanın sadece 302 nöronu vardır, bu yüzden nispeten basitti, oysa farelerin yaklaşık 71 milyon nöronu vardır.
Dzirasa, “Bir insan sistemini tasarlamak istediğimiz özelliklere sahip proteinler bulmak için inanılmaz miktarda literatür arayarak (kondensinler) bulduk” diyor.
Beyaz levrek adı verilen bir balıkta bulunan 34.7 ve 35 adlı konnexinleri seçtiler (Morone Americana). Bu konnexinler daha sonra bir devrenin pozitif ve negatif kısımları gibi, sinapstaki kavşaktaki her iki tarafındaki sinir hücreleri tarafından kullanılacaktır.
Doğru proteinleri belirledikten sonra, bir sonraki konu onları nereye yerleştirileceğini bilmekti. Dzirasa, “Farelerde aynı anda birçok beyin bölgesine saç büyüklüğü hakkında birçok elektrot implante ettik ve sonra elektriksel aktivitelerini kaydettik” diyor. “Bu, bilginin beynin içinden nasıl aktığı konusunda elektrik haritası veriyor.”
Ekip daha sonra fareleri, bu akışın nasıl değiştiğini görmek için kaygı veya saldırganlık gibi davranışları indükleyen durumlara maruz bıraktı ve hangi beyin hücrelerinin tasarlanmış sinaps alması gerektiğini tespit etti.
Bunlar tanımlandıktan sonra, araştırmacılar konnexinleri yapmak için gereken genetik bilgileri vermek için farelerin beynine zararsız bir virüs enjekte ettiler. Bu, elektriğin frontal kortekste bir mikro devrede hareket etme şeklini değiştiren çalışma elektrik sinapsları ile sonuçlandı. Fareler daha sonra daha açıklayıcı ve sosyal olma belirtileri gösterdi, bu yaklaşımın sosyal kaygı gibi durumların tedavisine yardımcı olabileceğini düşündürdü.
New York’taki Albert Einstein Tıp Fakültesi’nde David Spray “Bu sevimli bir fikir” diyor. “Nöral devrelerde belirtilen hücre tiplerine elektrik sinapsları eklersek, etkinlik modellerine ve davranışlarına ne olacağı sorusunu cevaplamak için yararlı bir araç sağlayacaktır.”
Araştırmacılar ayrıca zihinsel sağlık sorunlarını önlemek için bu tekniğin potansiyelini araştıran bir deney yaptılar. Dzirasa, “Bu aracı esnekliği teşvik etmek için kullanıp kullanamayacağımızı bilmek istedik” diyor.
Bunu denemek için Dzirasa ve meslektaşları, frontal korteks ile beynin talamus adı verilen bir alanı arasında uzun menzilli bir devre hedeflediler. Fareler stresli olduğunda bu devreyi önemli olarak tanımladılar, bu da yerinde donarak yanıt verebilecekleri bir his. Tasarlanmış elektrik sinapslarının tanıtılması Bu bölgeler arasında gelişmiş iletişim ve farelerin donmasını durdurdu.
Dzirasa, “Hücreler arasındaki bağlantıyı düzenlemek için bir yaklaşım yarattık ve beynin hedefli yeniden kablolanmasını sağladık” diyor. “Psikiyatrik bozuklukların acil durumunu önlemek için birçok farklı türde genetik olarak uyarılmış kablo açıklarını düzenleme potansiyeline sahiptir.”
Almanya’daki Jülich Araştırma Merkezi’ndeki Katrin amuntlar, araştırma erken bir aşamada olsa da, bilim adamlarının “fare modelinde, hücre altı düzeyde hedeflenen bir değişikliğin davranışsal düzeyde bir etkisi olabileceğini, bu nedenle psikiyatrik önemi olduğunu gösteriyor”.
Dzirasa ve farklı bir grup meslektaşının daha fazla çalışması, genetik olarak OKB benzeri semptomlar geliştirmeye yatkın olan çocuk farelerine konnexinleri tanıttı. Dzirasa, “Normalde, zamanla, fareler çok tımar etmeye başlar ve tımar o kadar şiddetli olabilir ki, OKB’li bazı insanların ellerini zorla yıkadıklarında aldıkları lezyonları yansıtan bu büyük yüz lezyonlarını elde ederler” diyor Dzirasa.
Elektrik sinapslarına sahip fareler daha az bakımlı ve yaklaşık üçte ikisi hiç yüz lezyonları geliştirmedi.
Farelerde yapılan çalışmalara rağmen Dzirasa, kısmen insanlarda benzer şekilde çalışmaları gerektiğine göre 34.7 ve 35’i seçti. İnsanlarda gen ekspresyon profillerinin mevcut atlasları, hangi hücreleri hedefleyeceğini de belirleyebilir.
“Bu gen ekspresyon paternleri bir GPS göstergesi gibidir” diyor, hangi hücrelerin ne yaptığını gösteriyor. Dzirasa, gerekli genomik materyali taşıyan virüsler kan dolaşımına enjekte edilebilir ve daha sonra odaklanmış ultrason yoluyla da açılabilen kan-beyin bariyerinden doğru profilleri olan hücreleri hedeflemek için geçebilir.
“Şahsen çok heyecanlıyım,” diyor Ithai Rabinowitch, İsrail’deki Kudüs İbrani Üniversitesi’nde, ekibin bir parçası olan ekibin bir parçası, elektriksel bir sinaps yapan C. elegans. “Sinaptik bağlantıları mühendislik veya düzenleme, nöral devre fonksiyonunu aydınlatmak ve nöral bağlantıyı içeren çeşitli hastalıkların potansiyel olarak tedavi edilmesi için potansiyel bir tamamen biyolojik yaklaşım sağlar” diyor. “Önemli olarak, kurulduktan sonra, bu yeni bağlantılar nöral devre bilgi akışını ve dış aktivasyona veya düzenlemeye gerek kalmadan tamamen özerk bir şekilde işlev görüyor.”
Ancak Dzirasa, insanlarda beyin düzenlemesinin uzun bir yol olduğunu ve etik soruları gündeme getirdiğini söylüyor. “Sadece ihtiyaç duydukları takdirde insanlar için kullanılabilir bir şey olduğundan emin olmak istiyorum.”
Rabinowitch ayrıca beynin, tasarlanmış sinapsların etkilerini geri alabilen veya potansiyel olarak negatif yollar oluşturabilecek yeni nöral bağlantılar yaparak değişikliklere yanıt verip vermeyeceğini merak ediyor. Müdahalenin de bilinmeyen yan etkileri olabilir.
