Beyni Işıkla Açmak: 2026 Nobel Fizyoloji veya Tıp Ödülü

5 Ekim'de Karolinska Enstitüsü'ndeki Nobel Meclisi, 2026 Nobel Fizyoloji veya Tıp Ödülü'nün ışık kapılı iyon kanalları ve optogenetik konusundaki keşifleri için Karl Deisseroth, Peter Hegemann ve Georg Nagel'e gittiğini duyurdu. Optogenetik, araştırmacıların ışık kullanarak canlı bir beyin içindeki sinir hücrelerini açıp kapatmalarına olanak tanıyan bir yöntemdir ve nöronların nasıl anılara, duygulara ve davranışlara yol açtığını incelemek için kullanılmıştır. Hikaye güneşe doğru yüzen yeşil bir algle başlar. Bir gölet organizması nasıl Nobel alıntısına girdi ve şimdiye kadar insanlar için ne değişti?

1979'da yazılan bir dilek

İnsan beyni, yan yana paketlenmiş ve hala anlamaya çalıştığımız şekillerde birbirine bağlanmış birçok farklı türden kabaca 86 milyar nöron içerir. Yirminci yüzyılın çoğu için araştırmacılar bu hücreleri elektrotlarla dinleyebilir veya elektrik akımı ile uyarabilir. Bir elektrotla ilgili sorun, ister ilgili hücre, komşuları veya içinden geçen lifler olsun, ulaşılabilecek her şeyi heyecanlandırmasıdır. 1979'da Francis Crick, sinirbilim için büyük bir engelin, diğerlerini yalnız bırakırken bir tür nöronu kontrol etmenin bir yolunun olmaması olduğunu yazdı. Daha sonra ışığın işi yapabileceğini öne sürdü, çünkü bir ışın bir hedefe yöneltilebilir ve milisaniyeler içinde açılıp kapanabilir. Ancak nöronlar ışığa cevap vermezler. Birinin onlara bu yeteneği vermesi gerekirdi.

Işık duygusu olan bir alg

Peter Hegemann, kariyerinin çoğunu, tek hücreli bir yeşil alg olan Chlamydomonas reinhardtii'nin nasıl ışık bulduğunu sorarak geçirdi. Hücrenin küçük bir göz lekesi vardır ve fotosentezini besleyen orta ışığa doğru ve çok güçlü ışıktan uzaklaşır. Hegemann ve meslektaşları, alglerin bir kimyasal reaksiyon zincirinin izin vereceğinden çok daha hızlı bir şekilde milisaniyeler içinde tepki verdiğini gözlemlediler. Bu hız, ışık sensörünün kendisinin hücre zarında bir elektrik geçidi olduğunu gösterdi.

2000 yılı civarında, alglerin genomundan gelen diziler halka açık veritabanlarında görünmeye başladı. Frankfurt'ta Ernst Bamberg ile iyon kanalları üzerinde çalışan bir biyofizikçi olan Hegemann ve Georg Nagel, mikropların ışığa duyarlı pigmentlerine benzeyen iki gen buldular. Nagel onları kurbağa yumurtalarına ve kültürlenmiş insan hücrelerine yerleştirdi, bir lamba açtı ve bir elektrik akımı ölçtü. 2002'de tanımlanan ilk protein, protonların geçmesine izin verdi. 2003 yılında yayınlanan ve channelrhodopsin-2 olarak adlandırılan ikincisi mavi ışık altında açıldı ve sodyum gibi pozitif yüklü iyonların hücreye akmasına izin

verdi.

Basit bir ifadeyle, nöronlar birbirleriyle iyonlar zarlarındaki kanallardan aktığında üretilen elektriksel uyarılar aracılığıyla konuşurlar. Channelrhodopsin ışığa duyarlı kilidi olan bir kanaldır. Mavi ışık onu açar, iyonlar girdikçe ve yeterince içeri girerse nöron ateşlenir.

Yazar: Buchen, L. Nörobilim: Beyni aydınlatmak. Doğa 465, 26â28 (2010). https://doi.org/10.1038/465026a;

Meraktan bir araca

Stanford'da psikiyatrist ve biyomühendis olan Karl Deisseroth, depresyon ve diğer bozuklukları olan hastaları tedavi etti ve alanın ilgili nöronal devreler hakkında ne kadar az şey söyleyebileceğini biliyordu. 2005 yılında, yazarlar arasında Edward Boyden ve Feng Zhang ile birlikte laboratuvarı, channelrhodopsin-2 genini bir virüs kullanarak memeli nöronlarına teslim etti. Mavi ışık darbeleri hücrelere ulaştığında, milisaniye hassasiyetle ateş ettiler ve ışık durduğunda sessiz kaldılar. Sonuç, alandaki en ünlü dergilerden biri olan Nature Neuroscience'da yayınlandı.

Bulguyu bir araca dönüştüren şey genetik hedeflemeydi. Araştırmacılar, yalnızca bir hücre tipinde aktif olan kontrol dizilerine geni ekleyerek, proteini yalnızca bu hücrelerin ürettiğinden emin oldular. Işık daha sonra kafatasına implante edilen bir optik fiber aracılığıyla bir fareye verilebilir ve yalnızca etiketli hücreler yanıt verir. Daha sonraki çalışmalar, diğer renklere tepki veren ve daha hızlı veya daha yavaş açılan varyantlarla birlikte nöronları heyecanlandırmak yerine susturan proteinler ekledi. Hem açma hem de kapama anahtarı mevcutken, bir davranış için gerekli olup olmadığı ve onu tetiklemenin yeterli olup olmadığı için bir devre test edilebilir.

Anahtar ne gösterdi

Bir avuç hücreyi açabildiğinizde ne öğrenirsiniz? 2007'de hipotalamustaki oreksin üreten nöronlara ışık tutarak uyuyan fareleri uyandırdı. 2012'de Susumu Tonegawa'nın grubu, fareler bir odadan korkmayı öğrenirken aktif olan nöronları etiketledi. Bu hücrelerin ışıkla yeniden etkinleştirilmesi, hayvanların farklı, zararsız bir odada donmasına neden oldu ve bu da bir hafızanın yapay olarak açılabileceğini gösterdi. Parkinson hastalığı modellerinde, Deisseroth'in laboratuvarı 2009 yılında korteksten gelen bağlantıların uyarılmasının semptomları hafiflettiğini, hastalarda halihazırda kullanılan bir tedavi olan derin beyin stimülasyonunun etkisini nasıl sağlayabileceğine dair bir ipucu olduğunu bildirdi

Aynı mantık kaygı, beslenme, ağrı, bağımlılık ve sosyal davranış için de uygulanmıştır. Her deney, bir davranışı tanımlanmış bir hücre grubuna bağlar ve bu bağlantı, bir ilacın veya cerrahi bir hedefin ihtiyaç duyduğu şeydir.

Yazar: Buchen, L. Nörobilim: Beyni aydınlatmak. Doğa 465, 26â28 (2010). https://doi.org/10.1038/465026a;

Farelerden hastalara

Klinik kullanım çok daha yeni. 2021'de Josã-Alain Sahel ve Botond Roska liderliğindeki bir ekip, Nature Medicine'de retinitis pigmentosa'dan kör bir adam olduğunu ve biraz görüşünü yeniden kazandığını bildirdi. Bir virüs, retinasının hücrelerine bir channelrhodopsin varyantı taşıdı ve kamera görüntülerini kehribar ışık darbelerine çeviren gözlükler taktı. Aylarca süren eğitimden sonra, bir masadaki nesneleri bulup sayabiliyordu ve bildirildiğine göre bir yaya geçidinin şeritlerini görebiliyordu. Gã¶ttingen'deki Tobias Moser gibi araştırmacılar, ses frekanslarını günümüzde kullanılan elektrikli cihazlardan daha ince bir şekilde ayırabilen optik koklear implantlar üzerinde çalış

ıyorlar.

Uyarılar dikkate değerdir. Retina sonucu bir hasta ve kısmi iyileşme ile ilgilidir. İnsan beyninin derinliklerindeki nöronlara ulaşmak, gen terapisi ve dokuya yerleştirilmiş bir ışık kaynağı gerektirir ve her ikisi de bir fare çalışmasının cevap vermesi gerekmediği riskler taşır. Optogenetik, şimdilik, bir tedaviden çok bir laboratuvar aracıdır

Üç isimli bir ödül

Bir Nobel Ödülü en fazla üç ödüllü alabilir ve bu hikayede daha fazla insan var. Ernst Bamberg, kanalrodopsin'i karakterize eden deneyler üzerinde Nagel ile işbirliği yaptı. Edward Boyden, proteini nöronlara getiren 2005 tarihli makalenin bir parçasıydı. Gero Miesenbã¶ck, 2002'de ışığa duyarlı proteinleri taşıyan sinek nöronlarının farklı bir gen seti kullanılarak ışıkla kontrol edilebileceğini göstermişti. Hangi keşiflerin sahnede bir yeri hak ettiği, Nobel Komitesi'nin her yıl cevapladığı bir sorudur ve cevap her yıl meslektaşlarını odanın dışında bırakır.