Bebek bezleri beyinle ilgili bu yeni çalışmaya ilham kaynağı oldu

Nöromühendis Ed Boyden beyinlerimizdeki minik biyomoleküllerin düşüncelerimizi, hislerimizi ve duygularımızı nasıl oluşturduğunu ve alzheimer ve epilepsi gibi hastalıklara hangi moleküler değişimlerin sebep olduğunu bilmek istiyor. Bu görünmez yapılara yakından bakmaktansa, o şunu merak etti: Peki ya biz onları fiziksel olarak büyütürsek ve daha kolay görmemizi sağlarsak nasıl olur? Bebek bezlerinin şişmesini sağlayan polimerin, beynin yapısını anlamada nasıl anahtar bir rol oynayabileceğini öğrenin.

Herkese merhabalar.

Bugün yanımda bir bebek bezi getirdim.

Sebebini birazdan anlayacaksınız.

Bebek bezlerinin ilginç özellikleri var.

Su eklendiğinde inanılmaz
derecede şişebilirler, ki bu da

milyonlarca bebek tarafından
her gün yapılan bir deney.

(Gülüşmeler)

Fakat bunun sebebi

çok akıllıca tasarlanmış olmaları.

Şişebilir malzeme denen
bir şeyden yapılmışlar.

Su eklediğiniz zaman şişerek hacmini

belki de bin katına kadar arttırabilen

özel bir madde.

Bu da çok güçlü endüstriyel
türden bir polimer.

Fakat bizim, MIT'deki grubumla
yapmaya çalıştığımız,

buna benzer bir şeyi insan beynine
yapıp yapamayacağımızı bulmak.

Beynin içine bakabileceğimiz,

beynin yapıtaşları olan biyomolekülleri ve

üç boyutta nasıl
düzenlendiklerini görebilecek,

beynin yapısını, hatta temel gerçekliğini

görebileceğimiz kadar büyütebilir miyiz?

Eğer bunu başarabilirsek

beynin düşünce, duygu, eylem
ve his üretmek üzere

nasıl düzenlendiğini belki de
daha iyi anlayabiliriz.

Belki de, neyin gerçekten
sebep olduğunu ve

kökenini bilmediğimiz,

Alzheimer, epilepsi, Parkinson gibi

çok az tedavi ve çok daha az

kalıcı çareleri olan hastalıklara

sebep olan değişimleri tespit edebiliriz.

MIT'deki grubumuz,

nörobilimin son yüzyılda sahip olduğundan

daha farklı bir bakış
açısı geliştirmeye çalışıyor.

Bizler tasarımcıyız. Mucidiz.

Beyni incelememizi ve
onarmamızı sağlayacak

yeni teknolojiler üretmeye çalışıyoruz.

Bunun sebebi de

beynin inanılmaz derecede karmaşık olması.

Nörobilimin ilk yüzyılı boyunca beynin,

son derece özelleşmiş ve
karmaşık geometriye sahip,

üzerinden akım geçen nöron adı
verilen hücrelerden oluşmuş

karmaşık bir ağ olduğunu öğrendik.

Yani nöronlar bu ağ içinde bağlantılılar.

Nöronların birbirleriyle konuşmasını

kimyasallar yardımıyla sağlayan

"sinaps"larla birbirlerine bağlılar.

Şimdi, beynin yoğunluğu inanılmaz.

Beyninizin bir milimetrekübünde

bu nöronlardan yaklaşık 100.000 tane

ve belki de milyarlarca
bu bağlantılardan var.

Ama durum daha da vahim.

Diyelim ki bir nörona çok
yakından bakabiliyoruz

ve tabii ki burada görünen
sanatsal bir temsil.

Göreceğiniz şey, karmaşık 3 boyutlu
yapılara sahip nano boyutlarda

binlerce biyomolekül olurdu.

Bunlar o elektrik sinyallerini ve
kimyasal alışverişleri

kontrol ederek nöronların
birlikte çalışmasını,

dolayısıyla düşünce, duygu ve benzeri
şeyleri üretmelerini sağlıyorlar.

Şimdi, nöronların beynin
içinde nasıl düzenlenip

ağlar oluşturduklarını

ve nöronların içindeki biyomoleküllerin

bu karmaşık, düzenli makineleri

nasıl oluşturduklarını bilmiyoruz.

Bu durumu anlamak için de

yeni teknolojilere ihtiyacımız var.

Eğer nöronlar ve moleküllerin

ve nöronlar ve ağların
yapısına bakabilsek,

eğer bakabilmemizi sağlayan
haritalarımız olsa,

belki de beynin, duyumsal
bölgelerden bilgiyi alıp,

duygu ve hislerle karıştırıp
kararlarımızı ve

eylemlerimizi nasıl
oluşturduğunu anlayabiliriz.

Belki de beyindeki bir
hastalığa sebep olan

değişikleri tam olarak tespit edebiliriz.

Bu moleküllerin ne şekilde
değiştiklerini bildiğimizde

– sayıları mı artmış,
düzenleri mi değişmiş –

bu değişimleri yeni
ilaçlar için hedef olarak

ya da bunları beyin
hastalıklarına sebep olan

beyinsel işlemleri onarmak için beyne

enerji sağlamanın yeni yollarını
bulmak için kullanabiliriz.

Son yüzyıl boyunca bu durumu ele alan

bir sürü farklı teknoloji gördük.

Sanırım hepiniz MRI makineleriyle alınmış

beyin görüntüleri görmüşsünüzdür.

Bunların en önemli özelliği
müdahalesiz olmaları,

yani canlı insanlar
üzerinde kullanılabiliyorlar.

Ama aynı zamanda,
uzamsal anlamda ilkeller.

Bu küçük damlacıkların
-yani voksellerin- içinde

milyonlarca ve milyonlarca
nöron olabiliyor.

Yani bizim bilinçli ve güçlü
yaratıklar oluşumuza

katkı sağlayan moleküllerdeki

ya da nöronların bağlantılarındaki

değişimleri gösterebilecek
çözünürlüğe sahip değiller.

Öbür taraftan, mikroskoplar var.

Mikroskoplar ışığı kullanarak küçük
şeyleri görmemizi sağlıyorlar.

Yüzyıllarca bakterilere
bakmak için kullanıldılar.

Nörobilim bakımından da

mikroskoplar, 130 yıl kadar
önce nöronların

ilk keşfini sağlayan araçlar.

Ama ışık temelde kısıtlayıcıdır.

Sıradan bir mikroskopla molekülleri
teker teker göremezsiniz.

O küçük bağlantıları göremezsiniz.

O hâlde beyne bakma yetimizi güçlendirmek,

beynin gerçek ve temel
yapısını görmek istiyorsak,

elimizdekilerden daha gelişmiş
teknolojilere ihtiyacımız olacak.

Birkaç yıl önce düşünmeye başladık:

Neden tam tersini yapmıyoruz ki?

Madem beyne yakından bakmak bu kadar zor,

niye onu büyütmeyelim ki?

Çalışmaya iki yüksek lisans
öğrencisiyle başladık:

Fei Chen ve Paul Tillberg.

Şimdi başka insanlar da
yardımcı oluyorlar.

Bebek bezindeki gibi polimerleri
alıp fiziksel olarak

beynin içine yerleştirmeye
çalışmaya karar verdik.

Eğer düzgün yapabilirsek,

su eklediğimizde

beyni bir ihtimal şişirip

içindeki bu biyomolekülleri
ayırt edebiliriz.

Bu bağlantıları görerek
beyni haritalayabiliriz.

Bu tabii oldukça etkileyici olabilir.

Burada küçük bir deney hazırladık.

Bir miktar saf bebek bezi malzememiz var.

İnternetten almak, bebek bezindeki minicik

taneleri ayıklamaktan çok daha kolay.

Bu saflaştırılmış polimerden sadece bir

tatlı kaşığı kadar ekleyeceğim.

Burada da bir miktar suyumuz var.

Şimdi de bu kadar bebek bezi malzemesinin

boyutunun ne kadar artacağını göreceğiz.

Gözlerinizin önünde boyutunun

yaklaşık bin katına
çıktığını göreceksiniz.

Çok daha fazla ekleyebilirim ama

sanırım elimizdeki bu minik molekülün

çok ilginç ve doğru kullanabilirsek

beyne geçmiş yöntemlerle

bakamadığımız kadar yakından bakma

olanağı sağlayacağını anlamışsınızdır.

Tamam. Şimdi biraz kimya.

Bebek bezi polimerinin
içinde neler oluyor?

Yakından bakarsak

ekrandakine benzer bir şeyler olacaktır.

Polimerler uzun ince zincirler
hâlinde dizilmiş atomlardır.

Zincirler çok çok ince,

yaklaşık bir biyomolekül genişliğinde

ve bu polimerler son derece yoğun.

Birbirlerinden yaklaşık bir biyomolekül

genişliğinde mesafelerle ayrılmışlar.

Bu da bizim için çok iyi,

çünkü beyindeki her şeyi
birbirinden uzaklaştırabiliriz.

Su eklediğimizde ise,

şişebilir malzeme suyu emecek,

polimer zincirleri
birbirlerinden uzaklaşacak

ve bütün malzeme daha
büyük hâle gelecek.

Bu zincirler de çok küçük olduklarından ve

aralarında biyomoleküler
mesafeler olduğundan dolayı

beyni şişirip görebileceğimiz kadar

büyütmemizi sağlayabilirler.

O zaman sıkıntımız şu:

Bu polimer molekülleri beynin
içine nasıl koyabiliriz ki

bütün biyomolekülleri ayırabilelim?

Eğer bunu yapabilirsek

belki de beynin temel
yapısını haritalayabiliriz.

Kablolamayı görebiliriz.

İçeri bir göz atıp içerideki
molekülleri görebiliriz.

Biyomoleküllerin nasıl görünebileceklerini

ve bizim onların nasıl
ayırabileceğimizi açıklayabilmek için

temsili birkaç animasyon hazırladık.

Birinci adım:

Öncelikle yapmamız gereken şey,

burada kahverengiyle
belirtilmiş her biyomoleküle

küçük bir kulp, bir çapa eklemek.

Beyindeki molekülleri birbirinden
uzaklaştırmamız gerekiyor,

bunun için de küçük bir
kulpa sahip olmalıyız ki

polimerler onlara bağlanıp
molekülleri çekebilsin.

Hâliyle, bebek bezi polimerini alıp da
beynin üzerine boca edersek

beynin üstünde kalır.

Dolayısıyla bu polimerleri
beynin içinde elde etmeliyiz.

İşte bu konuda şansımız var.

Zira monomer dediğimiz

bu küçük yapıtaşlarını elde edip

beynin içinde reaksiyona sokarsak,

bu uzun zincirleri beyin dokusunun

içinde elde edebiliyoruz.

Tam da beyin dokusunun içinde.

Biyomoleküllerin arasından
ve etrafından dolanarak

karmaşık ağlarını örecekler

ve en sonunda, molekülleri

birbirlerinden uzaklaştırmanızı
sağlayabilirler.

Ve her bahsettiğim kulplardan
birine rastladıklarında

onlara tutunacaklar,

ki bu da molekülleri çekmek için
tam da ihtiyacımız olan şey.

O hâlde kritik an.

Bu numuneyi, onu gevşetecek

bir kimyasala maruz bırakmalıyız

ki su eklediğimizde

şişebilir malzeme şişsin,

polimer zincirleri bu sefer

biyomolekülleri de peşlerinden
sürükleyerek açılsınlar.

Ve tıpkı balonun üstüne
bir resim çizmişiz de

onu şişiriyormuşuz gibi,

resim hâlâ aynı resim

ama mürekkep tanecikleri
birbirlerinden uzaklaşmış hâlde;

ki demin üç boyutta
yaptığımız da tam olarak bu.

Son bir şey var.

Burada gösterildiği üzere

bütün biyomoleküller kahverengi.

Çünkü birbirlerine çok benziyorlar.

Biyomoleküller aynı atomlardan oluşurlar,

sadece düzenleri farklıdır.

Onları görünür hâle getirmek için

son bir şeye ihtiyacımız var.

Onları ayırt edebilmek
için parlak renklerde

etiketler gerekli.

Yani bir biyomolekül türü
mavi renkle işaretlenir.

Bir diğeri kırmızı olur

ve böyle gider.

Bu da son adım.

Sonuç olarak beyin gibi bir şeye ve

teker teker moleküllere bakabiliyoruz,

çünkü onları birbirlerinden
ayırt edebilecek kadar

uzaklaştırmış olduk.

Burada umudumuz
görünemeyeni görünür kılmak.

Küçük ve karanlık gibi
görünen şeyleri alıp,

hayatla ilgili bilgi takımyıldızları

gibi görünene kadar şişirebiliriz.

İşte gerçekte nasıl olabileceğine
dair bir video.

Buradaki petri kabında
küçük bir beynimiz var --

yani bir beynin küçük bir parçası.

Polimeri içine yerleştirdik,

şimdi de suyu ekliyoruz.

Gözlerinizin önünde

-- video yaklaşık altmış kat
hızlandırılmış --

bu küçük beyin dokusunun
şişip büyüdüğünü göreceksiniz.

Hacmini yüz katına kadar hatta
daha fazla büyütebilir.

İşin havalı kısmı da şu ki
bu polimerler o kadar küçük ki,

biyomolekülleri birbirlerinden
eşit oranda ayırmış oluyoruz.

Düzenli bir büyüme gözlemliyoruz.

Yapıdaki düzenle ilgili
bir bilgi kaybımız olmuyor.

Sadece kolay görünür hâle getiriyoruz.

İşin sonunda gerçek
bir beyin yapısını alıp

-- örneğin hafızayla ilgili
bir beyin parçası --

ona yakından bakabiliriz.

Bu devrelerin yapısını
inceleme şansını elde edebiliriz.

Belki bir gün bir anıyı okuyabiliriz.

Belki de bu devrelerin duyguları
nasıl işlediğine bakıp

bizi biz yapmak üzere

beynin nasıl bir ağ
oluşturduğuna bakabiliriz.

Ve elbette, umuyoruz ki,
beyindeki hastalıkların

sebeplerini moleküler
düzeyde belirleyebiliriz.

Örneğin ya hücrelerin içine bakıp, vay,

epilepsi sorunu yaşayan,
parkinson geçiren

ya da başka bir şekilde hasar görmüş

bu beyin dokusundaki

değişmiş 17 molekül işte
bunlar, diyebilseydik?

Hasar görmüş bu yapıların sistemli
bir listesini oluşturabilirsek,

tedaviler için hedeflerimizi elde ederiz.

Onlara bağlanacak ilaçlar üretebiliriz.

Dünya çapında milyonlarca insanı etkileyen

Parkinson, epilepsi ya da
başka hastalıkların tedavisi için

beynin farklı bölgelerine
enerji gönderebiliriz.

Şimdilerde ilginç bir durum ortaya çıktı.

Biyotıp dünyasında numuneleri
büyütmenin yardımcı olabileceği

başka problemlerin de olduğu ortaya çıktı.

Burada gördüğünüz bir gerçek
bir insanın göğüs kanseri biyopsisi.

Kansere bakarsak,

bağışıklık sistemine bakarsak,

yaşlanmaya ve gelişime bakarsak --

bütün bu süreçler büyük ölçekli
biyolojik sistemler içeriyorlar.

Fakat tabii ki, sorunlar
o küçük nano-ölçekli

hücre ve organların işlemesini sağlayan
o küçük makinelerle başlıyor.

Yani aslında başarmaya çalıştığımız şey,

bu teknolojiyi hayatın
yapıtaşlarını haritalamak için

çeşitli hastalıklar
çerçevesinde kullanabilmek.

Bir tümördeki moleküler
değişimleri belirledikten sonra

onların peşinden daha
zekice yöntemlerle gidip

tam olarak istediğimiz hücreleri
öldürecek ilaçlar kullanabilir miyiz?

Pek çok ilaç, çok yüksek risk arz ediyor.

Hatta işler bazen tamamen tahmin işi.

Umudum bir ay yolculuğu kadar
yüksek riskli ve belirsiz bir işi

daha güven veren bir işe çevirebilmek.

Eğer gerçekten aya indikleri ilk

ay yolculuğunu düşünürseniz,

o yolculuk sağlam bilimsel
temellere sahipti.

Yer çekimini anlıyorduk,

aerodinamiği anlıyorduk.

Nasıl roket yapılır biliyorduk.

Bilimsel riskler kontrol altındaydı.

Yine de mühendislik anlamında
inanılmaz bir atılımdı.

Ama tıpta her zaman bütün
yasalar elimizde olmuyor.

Yer çekimine ve aerodinamiğe dair

bütün yasalara sahip miyiz?

Bana kalırsa teknolojiyle

- bugün konuştuğum
gibi teknolojilerle -

onları türetebiliriz.

Yaşayan sistemlerdeki
kalıpları haritalayabilir,

bizi uğraştıran hastalıkların
üstesinden gelebiliriz.

Eşimle iki küçük çocuğumuz var

ve bir biyomühendis olarak
bir umudum hayatı onlar için

bizimkinden daha güzel
bir hâle getirmek.

Bir diğer umudum ise tıbbı ve biyolojiyi

talihle yönetilen ve yüksek riskli
maceralar olmaktan çıkarıp

beceri ve çok çalışma sonucu başarılı
olduğumuz alanlara çevirebilmek.

Bu hepimiz için büyük bir ilerleme olur.

Çok teşekkürler.

(Alkış)