NeyinNesi
Laboratuvarda insan kaynaklı kök hücrelerden yetiştirilen üç beyin organoidi birbirine bağlandı. Tokyo Üniversitesi’nden Yoshiho Ikeuchi’nin liderlik ettiği ekip, sinir ağını iki hafta boyunca elektriksel olarak uyardı ve tepkileri kaydetti. Deney sonunda ağın, farklı noktalardan gelen sinyallere daha farklı ve tutarlı yanıtlar verdiği görüldü.
Organoidler mikroelektrotlu çiplere yerleştirildi
Çalışmada kullanılan beyin organoidleri, indüklenmiş pluripotent kök hücrelerden (hiPSC) üretildi. Yeniden programlanarak kök hücre benzeri özellik kazanan bu hücreler, uygun laboratuvar koşullarında sinir dokusuna dönüşebiliyor.
Araştırmacılar küçük sinir dokularını, çok sayıda mikroelektrot içeren özel çiplere yerleştirdi. Bu düzenek elektriksel uyarı göndermenin yanı sıra, uyarı sonrasında oluşan faaliyetin kaydedilmesini sağladı. Deneyde bir, iki ve üç organoidin birbirine bağlandığı farklı sistemler kuruldu.
Organoidlerin işlevsel bağlantılar oluşturması için iki haftadan uzun süre beklendi. Bu dönemde sinir hücrelerinin akson adı verilen uzantılar geliştirmesi ve diğer hücrelerle bağlantı kurması hedeflendi. Kayıtlar, birbirine bağlanan organoidlerde eş zamanlı elektriksel faaliyet oluştuğunu gösterdi.
Üçüncü organoiddeki yanıtlar karşılaştırıldı
Deneyin ikinci aşamasında sinir ağları iki hafta boyunca her gün elektriksel uyarı aldı. Her gün iki ayrı noktaya ayrı ayrı 100’er uyarı gönderildi ve ağın başka bir bölümündeki elektriksel faaliyet kaydedildi.
Üç organoidli düzende iki organoide ayrı ayrı sinyal verilirken üçüncüsü gözlem noktası olarak kullanıldı. Ekip, bu üçüncü organoidin tepkilerine bakarak sinyalin hangi kaynaktan geldiğinin ayırt edilip edilemeyeceğini inceledi. Kayıtlar makine öğrenmesi algoritmalarıyla analiz edildi.
Başlangıçta algoritmanın kaynağı belirleme doğruluğu yaklaşık yüzde 50’ydi; bu oran iki seçenek arasında rastgele tahmine yakındı. Uyarılar tekrarlandıkça üç organoidli ağın yanıtları farklılaşmaya başladı.
İki haftalık uyarımın ardından yanıtlar farklılaştı
İki haftanın sonunda üç organoidli ağ, iki farklı kaynaktan gelen sinyallere karşı daha ayrışan elektriksel örüntüler üretti. Araştırmacılar yanıtların hızlandığını ve daha istikrarlı hale geldiğini belirledi. Bu gelişme tek veya iki organoidli sistemlerde aynı biçimde görülmedi.
Elektriksel uyarı verilmeyen üç organoidli kontrol gruplarında da benzer bir değişiklik saptanmadı. Araştırmacılara göre bu bulgu, değişimin yalnızca organoidlerin zaman içinde büyümesiyle açıklanamayacağına işaret ediyor.
Çalışmada ayrıca üç organoidli ağlarda girdilerle ilişkili mekânsal ve zamansal yanıtlar oluştuğu, sinir hücreleri arasındaki bağlantıların farklı biçimlerde yeniden düzenlendiği ve elektriksel yanıtların hızlandığı bildirildi.
Sonuçlar bilinç ya da insan benzeri öğrenme anlamına gelmiyor
Araştırmacılar, bulguların organoidlerin insan beyni gibi düşünmeye başladığını veya bilinç geliştirdiğini göstermediğini vurguluyor. Organoidler beynin küçültülmüş kopyaları değil; beynin bütün yapısını, duyusal sistemlerini, karmaşık bölgeler arasındaki bağlantıları ya da insan davranışlarını yeniden oluşturmuyor.
Deneyde gözlenen değişim, tekrarlanan elektriksel girdilerden sonra sinir ağının iki farklı uyarı kaynağına daha farklı ve tutarlı tepkiler vermesiyle sınırlı. Çalışma, insan beynindeki öğrenme sürecinin laboratuvarda yeniden üretildiğini göstermiyor; tekrarlanan girdilerin sinir ağlarının bağlantılarını ve faaliyet biçimini değiştirebildiğini incelemek için deneysel bir model sunuyor.
Araştırmacılar daha karmaşık ağları inceleyecek
İnsan beyninde farklı bölgeler belirli işlevlerde uzmanlaşırken yoğun bağlantılar kuruyor. Araştırmacılar, birbirine bağlanan üç organoidin modüler sinir ağlarının bilgi işleme kapasitesini araştırmak için kullanılabileceğini belirtiyor.
Ekibin önceki çalışmalarında, birden fazla beyin organoidinin akson demetleriyle birbirine bağlanmasının daha karmaşık sinirsel faaliyetler oluşturabildiği gösterilmişti. Yeni çalışma ise bu bağlantıların, karmaşık faaliyetlerin yanı sıra tekrarlanan girdilere karşı ağın işlevsel olarak farklılaşmasına katkı sağlayabileceğine işaret ediyor.
Araştırmacılar sonraki çalışmalarda daha karmaşık sinyaller ve görevler kullanmayı, ayrıca organoidlerin iletişim kurmasını sağlayan ve ağ içinde farklı roller üstlenebilecek sinir hücrelerini belirlemeyi hedefliyor. Çalışmanın sonuçları Communications Biology dergisinde yayımlandı.
