Nöronların Uzun Vadeli Davranışını Değiştirme

Harvard John A. Paulson Mühendislik ve Uygulamalı Bilimler Okulu (SEAS) ve MIT'den araştırmacılar, beyindeki hastalıklı nöronları hedef alan ve ışığı kullanarak uzun vadeli davranışlarını değiştiren yeni bir yöntem geliştirdiler. Araştırma Science Advances dergisinde yayınlandı.

SEAS'ta Biyomühendislik Yardımcı Doçenti ve çalışmanın eş-kıdemli yazarı Jia Liu, “Bu teknolojinin, nörobilim ve davranış çalışmalarında nöronların yüksek uzamsal-zamansal çözünürlüklü kontrolü için yeni fırsatlar sağlayacağını ve nörolojik bozukluklar için yeni tedaviler geliştireceğini öngörüyoruz.” dedi.

Nöronları uyarmak veya engellemek için ışığın kullanılması olan optogenetik, nöronların aşırı veya az uyarılabilirliğinin neden olduğu nörolojik durumların incelenmesinde ve tedavisinde devrim yaratabilir. Bununla birlikte, mevcut optogenetik teknikler, yalnızca kısa vadede nöronal uyarılabilirliği değiştirebilir. Işık söndüğünde, nöronlar orijinal davranışlarına geri döner.

Liu ve ekibinin öncülüğünü yaptığı esnek, implante edilebilir nanoelektronik de dahil olmak üzere nanoteknolojideki son gelişmeler, uzun vadede potansiyel olarak nöronal davranışı değiştirebiliyor, ancak bu cihazların beyne implante edilmesi gerekiyor ve ilgili belirli nöronları hedefleyecek şekilde programlanamıyor.

Bir nöronun uyarılabilirliği iki ana bileşen tarafından yönetilir; iyon kanalı iletkenliği ve hücre zarının kapasitans olarak bilinen bir elektrik yükünü depolama yeteneği. Çoğu optogenetik teknik, belirli bir kanal grubunu açarak veya kapatarak nöronun uyarılabilirliğini modüle edip, iyon kanalı iletkenliğini hedefler. Bu yaklaşım, nöronun uyarılabilirliğini etkili bir şekilde ayarlayabilir, ancak yalnızca geçici olarak.

Liu, “Bir nöronu bir direnç-kapasitör devresi ve hücre zarını bir dielektrik malzeme olarak hayal edebilirsiniz. Tıpkı herhangi bir devrede olduğu gibi, malzemenin - bu durumda hücre zarının - kapasitansını değiştirirseniz, devrenin içsel uyarılabilirliğini uzun vadede yüksek uyarılabilirlikten düşük uyarılabilirliğe veya tam tersine değiştirebilirsiniz.” dedi.

Liu, hücre zarının kapasitansını değiştirmek için Xiao Wang, Thomas D. ve Virginia Cabot MIT'de Kimya Yardımcı Doçenti ile işbirliği içinde, yüzeyde ya yalıtkan ya da iletken polimerlerin oluşumunu tetikleyebilen ışığa duyarlı enzimler kullandı. Enzimler, belirli nöronların hücre zarlarını hedef alacak şekilde tasarlanabiliyor. Enzimler belirtilen zara bağlandıktan sonra, araştırmacılar nöronları aydınlatmak için mavi dalga boyundaki ışığı kullandılar ve dakikalar içinde zar üzerinde yalıtkan ya da iletken kaplamaların oluşumunu tetiklediler. Yalıtkan polimer kaplamalı nöronların daha fazla uyarılabilir hale geldiğini ve iletken polimer kaplamalı nöronların daha az uyarılabilir hale geldiğini gösterdiler.

Araştırmacılar, ışığa maruz kalmayı ayarlayarak uyarılabilirliği ayarlayabileceklerini keşfettiler - nöronlar ışığa ne kadar uzun süre maruz kalırsa, kaplamalar o kadar yalıtkan veya iletken hale geldi. Araştırma ekibi ayrıca uyarılabilirlikteki değişikliklerin, nöronları bir petri kabında canlı tutabildikleri sürece üç güne kadar sürdüğünü de gösterdi.

Daha sonra ekip, yaklaşımı beyin dokusundan parçalar kullanarak, hayvanlarda test etmeyi amaçlıyor.