Beyin Araştırmalarında Yeni Bir Çağın Başlangıcı

Mühendislikte “Kara Kutu” çalışma prensibi bilinmeyen, sadece giriş (uyarıcı) ve çıkışlarının (yanıt) gözlemlenebildiği bir sistem/aygıt’a verilen genel bir isimdir.

Bir karakutuya verebileceğimiz basit bir örnek bilgisayardır. Elektirik/elektronik veya bilgisayar mühendisliği eğitimi olmayan birisi için bilgisayarın iç yapısını anlamak zordur. Bilgisayar o kişi için fare ve klavyeden verilen uyarıcılar ve bunlara ekran ve hoperlörden yanıt veren bir kara kutudur.

Günümüzde bilim adamları tarafından en çok üzerinde çalışılan ve iç yapısı incelenen kara kutu insan beynidir. Beynin çalışma prensibini anlamaya çalışan bilim dalına da nörobilim denir (İngilizcesi neuroscience).  

Beyni anlama çabasının bilinen en eski örnekleri antik Mısır uygarlığına dayanır. Edwin Smith Papirüsü olarak bilinen bir parşömende 2 farklı vakada meydana gelen beyin hasarlarının tedavi edilişi anlatılmaktadır. Benzer gözlemler Sümer’lerden Roma İmparatorluğuna kadar bir çok eski uygarlıkta görülmüştür.

1800’lere dek beyin üzerinde yapılan çalışmalar gözlem ağırlıklıdır. Bir kaza, beyin tümörü veya inme sonucunda beyninde hasar oluşan insanların davranışlarında meydana gelen gözlemlenebilir farklılıklar beynin zarar görmüş olan bölgesinin o davranışa neden olduğunun belirlenmesini sağlamıştır. Bu yöntem kontrolsüz ve şansa dayalı bir yöntemdir.

1800’lerin başında Mary Shelley adlı yazarın yarattığı Frankenstein karakterine ilham olmuş olan ünlü İtalyan fizikçi Giovanni Aldini’nin deneyleri beyin ve sinir sisteminin incelenmesi için yeni bir alanın doğmasını sağlamıştır. Galvanism olarak bilinen bir bilim dalı insan ve hayvanlarda kasların dışarıdan verilen elektrik ile hareket etmesini sağlar. Galvanism’i keşif eden bilim adamı Luigi Galvani olsa da o alanı ünlü yapan kişi Galvani’nin yeğeni Giovani Aldini’dir.

Giovani Aldini 1803 yılında İngiltere’de galvanismin gücünü hafızalara kazınan bir deney ile göstermiştir. İngiltere’de, Kraliyet Cerrahlar Koleji’nde (Royal College of Surgeons) idam edilmiş bir cesete elektrik vererek cesetin gözlerini açıp oturmasını sağlamıştır. Bu gösterinin Kolejdeki doktorlardan birinin o akşam korkudan ölmesine neden olduğu söylenir.

Giovani Aldini elektrik kullanarak sinir sistemi ve beyinin elektrik ile uyarılarak gözlemlenebilir bir tepki vermesini sağlamıştır. Bu bulgu beyin stimülasyonu olarak bilinen yeni bir deney türünün doğuşuna sebep olur. Beyin stimülasyonu 1900’lerin başında beyinin farklı bölgelerinin deneysel olarak uyarılarak sorumlu oldukları bölgelerin ve davranışların bulunmasını sağlar.

Bu deneylerden ünlü bir tanesi Walter Penfield tarafından yapılmıştır. Penfiled’ın beyin stimülasyonu deneyleri insan beyninde farklı vücut parçalarını kontrol eden bölgelerin bulunmasını sağlar. El, ayak gibi farklı uzuvlardan sorumlu bölgelerin haritalanma çabalarının sonucunda Penfield Homunculus adı verilen farklı uzuvların beyinde kapladığı alanları orantısal olarak gösteren bir insan figürünün yaratılmasını sağlamıştır.

Elektriksel beyin stimülasyonu beyin araştırmalarında epey yol kat edilmesini sağlamış olsa da, dezavantajları olan bir yöntemdir. Beynin derinliklerindeki bölgelere beyin yüzeyine zarar vermeden erişilemediği için genellikle yüzeysel çalışmalar ile sınırlanmıştır. Bununla birlikte, stimülüasyon için kafatasının açılması/delinmesi gerekmektedir bu da ancak ameliyathanelerde ve steril ortamlarda mümkündür.

Yeni geliştirilen 3 teknoloji elektriksel beyin stimülasyonunun bu sorunlarını aşmayı hedefler. Bu teknolojiler sırasıyla: Optogenetik, Sonogenetik ve Manyetogenetik tir. Üçü de aynı prensibe dayanır. Özel bir virüs stimüle edilmek istenen bölgeye enjekte edilir. Bu virüs, o bölgedeki nöronları ışık, ses veya manyetizmaya karşı duyarlı yapar. Bu sayede, elektriksel stimülasyonda daha güvenli ve etkili tekniklerle beyin araştırması yapılabilir.

Optogenetik, 2000’lerin başında yaratılmış bir tekniktir. Işığa karşı hasaslaştırılmış nöronlar ışık ile kontrol edilir. Kafatasına açılan bir delikten bir fiber-optik kablo geçirilir. Bu kablo istenen bölgeye ışık yansıtarak o bölgedeki nöronların ateşlenmesini sağlar. Elektriksel stimülasyona kıyasla, çok daha güvenli bir yöntemdir.

2015’te yaratılan sonogenetik ve manyetogenetik ise işi bir adım daha ileriye götüren tekniklerdir. Bu teknikler ses ve manyetik alan kullanarak hedeflenen bölgedeki nöronların ateşlenmesini sağlar. Bu iki yöntem yeni oldukları için henüz optogenetik kadar fazla yaygınlaşmamıştır ama sundukları imkanlar hızlı bir şekilde benimsenmelerini sağlayacaktır. Bu yöntemlerin geliştirilmesi beyin araştırmalarında yeni bir çağın başlangıcını işaretler.