Beyin modeli çıkarmak için başlangıcından beri nörobilim, hayvan modellerinden yararlanmıştır. Nöronların çalışmasını ve davranışlarını anlamak için meyve sineklerinden makak maymunlarına kadar çok çeşitli türde hayvanlarla deneyler yapılmıştır. Bu çalışmalar beynin hem normal çalışması hem de hastalıkları hakkında değerli bilgiler sağlasa da birtakım kısıtlılıkları da bulunmaktadır. Bizi hayvanlardan farklı kılan özellikler hayvan deneylerinden elde edilen verilerin insanlara aktarılmasını zorlaştırır. Örneğin şimdiye kadar Alzheimer hastalığı farelerde pek çok kez tedavi edilebilmesine karşın insanlar için etkili bir tedavi bulunmamaktadır. Bu hastalığın gelişme süreci hayvanlar ve insanlarda önemli farklılık gösterdiği için mevcut hayvan modelleri aradığımız cevapları bulmamıza yetmemektedir.

Son birkaç yılda teknolojideki gelişmeler insan nöronlarının aktivitesini ve birbiriyle iletişimini çalışmak için yeni modellerin geliştirilmesine yol açmıştır. Bunlar arasında insan donörlerden elde edilen ex vivo dokular, organoidler ve kimerik modeller (insan genleri veya hücreleri ile modifiye edilmiş hayvan dokuları) sayılabilir. İndüklenmiş pluripotent kök hücrelerin de kullanıldığı bu yeni teknolojiler bilim dünyasında heyecan yaratmaktadır. Bu yöntemlerin esas avantajı özellikle hassas olan gelişme dönemi de dahil, insan beyin hücrelerinin araştırılması için yeni yollar sağlamasıdır. Beklenen yararlarına karşın yeni beyin modellerinin kullanımı bazı pratik ve etik sorunlara neden olabilir.

Deneysel İnsan Beyin Modeli

“Bir tabaktaki beyin” ya da “insan beyninin deneysel modeli” denince gözünüzde ne canlanıyor? Bilim kurgu filminden fırlamış gibi tam ölçekte, sıvı dolu bir kavanozda nabız gibi atan, düşünen ve hisseden bir beyin, beyin modeli için örnek değil elbette. Pek çok kişi bahsettiğimiz deneysel modellere ilk baktıklarında bunların insan beyin dokusundan yapıldığını bile anlamayabilir. Bir örnekte beyin ameliyatı geçirmiş hastaların izinleri ile elde edilmiş, küp şeker boyutunda dokular kullanılmaktadır. Bu örnek ile insan beyin kabuğunda bulunan hücre tipleri daha kesin biçimde sınıflanmaya çalışılmaktadır. Ameliyat masasından laboratuvara beyin dokusu ambulansla taşınmakta ve oksijen desteği ile birkaç gün canlı tutulabilmektedir. Bu araştırmalarla canlı sinir hücrelerinin moleküler, morfolojik ve anatomik özellikleri hakkında kavrayışımız artmıştır. Beyni oluşturan bileşenleri daha iyi anladıkça hastalıklarda ters giden şeyleri bulmada da gelişme sağlanmaktadır.

Mini Beyinler ve Beyin Modeli

Yetişkinlerden elde edilen doku modelleri beynin gelişmesi hakkında fazla bilgi vermez. Bunun için indüklenmiş pluripotent hücre kültürlerinden elde edilen üç boyutlu, kendi kendine organize olan “mini beyinler” veya organoidler kullanılmaktadır. Böylece beyin büyüdükçe hücrelerin nasıl bir araya geldiği çalışılmaktadır. Organoidler tam ölçekte ve fonksiyonda beyinler değildir, 4-5 mm büyüklüğünde herhangi bir organdan ziyade patates topuna benzeyen kütlelerdir. Küçük boyutlarına rağmen organoidler hem beyin gelişimi hem de hastalıkların genetik yönlerini araştırmak için iyi bir araçtır.

Hayvan modelleri beyni anlamada çok değerli olsa da, insana dair öğrenebileceğimiz şeyler açısından sınırları olduğu bellidir. Diğer taraftan canlı, gerçek insan beyni üzerinde kontrollü deneyler yapmak mümkün değildir. Değişik genlerin beyin gelişimine katkısı anne karnında gerçekleşen bir olgudur ve bu dönem deneysel olarak çalışılamaz. Organoidler ilkel olsalar da yeni sorular sormak ve bunları sınamak için fırsat sunar.

Beynin kimerik modellerinde hayvan beyni insan genleri ve hücrelerinin eklenmesi ile “insanlaştırılır”. Bu model Alzheimer hastalığında mikroglia hücrelerinin etkilenmesi gibi konuları araştırmada kullanılmaktadır. Önceden mikroglia hücreleri bir kaba ayrıştırılır ve çalışılırdı. Ancak hücreler kültüre edildiğinde gen ifadeleri değişir. Ne kadar uzun süre kültüre edilirse değişim o kadar fazla olur. Bu hücreler fare beynine yerleştirildiğinde ise gen ifadesi insan beynindekine çok benzerdir.

Kısıtlılıklar

Yukarıda bahsettiğimiz yeni yöntemlerle genlerin beyin gelişimine ve hastalıklarına katkısına dair kavrayışımız artmıştır. Bu yöntemler klasik hayvan modellerinin yerine tam olarak geçemez ancak diğer türlü anlayamadığımız olguları araştırmada yeni fırsatlar sağlar. Yine de belli kısıtlılıklar söz konusudur. Organoidler aylar süren gelişme sonrasında bile en fazla 4-5 mm büyüklüğe ulaşır. Hayati damar ağı ve diğer destekler olmadan hücre organizasyonu ve mimarisinin normal paternlerine ulaşamazlar. Organoidlerde çeşitli hücre tipleri üretilebilse de normal gelişen beynin hücresel ve yapısal karmaşıklığına erişemezler.

Yeni beyin modellerinin özelliklerini iyileştirme için farklı araştırmalar yürütülmektedir. Bir yandan canlı doku bağışlarının ex vivo hayatta kalma süresini arttıracak teknikler geliştirilmektedir. Diğer taraftan organoid ve kimerik modellerin normal gelişimi daha iyi taklit edebilmesi için de iyileştirmeler sürmektedir. Ancak modeller normal insan beynine yaklaştıkça etik sorunlar da gündeme gelebilir. Söz gelimi bir noktada bu beyinlerin hissedip hissetmediği sorgulanabilir.

Referans

Doktor Fizik
2018. DoktorFizik; Beyin, sinir, kas, kemik, omurga ve eklem sağlığı ile ilgili güvenilir, bilgilendirici içerik platformu.