Beynin değişebilirliği, esnekliği yani plastisitesi (bazen "plastikliği" de denir), nöronların başka nöronlarla yeni veya daha güçlü bağlantılar kurarak yeni şeyler yapabilir olmasına dayanır. Ama eğer bazı bağlantılar güçlenirse, girdilerden bunalmamak için nöronların bunu telafi etmesi gerektiği düşünülüyordu. Picower Öğrenme ve Bellek Enstitüsü araştırmacılarının bir süre önce gerçekleştirdiği ve sonuçlarını Science dergisinde yayımladığı bir araştırmada, bu dengenin ne kadar isabetli olduğu ilk kez olarak gösterildi: Bir bağlantı (sinaps) güçlendiği anda, Arc adı verilen önemli bir proteinin eylemine dayalı olarak, komşu sinapslar hemen zayıflıyordu.

Ekibin kıdemli üyesi Mriganka Sur, 100 milyar nöronun her birinin sürekli değişen binlerce sinapsa sahip olduğu beyin gibi karmaşık bir sistemin özünde, basit ama temel bir kural keşfettiklerinden ötürü heyecanlı olduğunu fakat buna şaşırmadığını belirtiyor. Sur, büyük bir balık sürüsünün bir anda, toplu hâlde yön değiştirişine benzetiyor durumu; lider balık yön değiştiriyor ve diğer tüm balıklar da tam önündeki balığı izlemekten ibaret olan basit kurala uyuyor. "Karmaşık sistemlerin toplu davranışları daima basit kurallara dayanır. Bir sinaps yükseldiğinde, 50 mikrometre içerisinde iyi-tanımlı bir moleküler mekanizma yoluyla diğer sinapsların gücünde bir düşüş olur," diyor Sur. Elde ettikleri bulgunun, sinaptik güçlenme ve zayıflamanın nöronlarda bir araya gelerek, plastisiteyi nasıl ortaya çıkardığını açıkladığını ekliyor.

Deneylerin Yapılışı

Araştırmacıların bulduğu kural basit olmasına karşın, bu kuralı açığa çıkaran deneyler pek basit değildi. Farelerin görsel korteksinde plastisiteyi etkinleştirmek ve sonra sinapsların bunun olması için nasıl değiştiğini izlemek için çalışırken, ekip bazı ilkleri gerçekleştirdi. Deneylerden birinde, bir nöronun "alıcı alan"ını yani nöronun yanıt verdiği görsel alan parçasını değiştirerek plastisiteyi uyardılar.

Nöronlar, dala benzeyen dendritlerinin minik çıkıntılarının üzerindeki sinapslar yoluyla girdi alır. Bir nöronun alıcı alanını değiştirmek için bilimciler nöronun ilgili dendriti üzerindeki doğru çıkıntıyı saptadı. Ardından fareye bir ekran üzerindeki belli bir yerdeki (nöronun başlangıçtaki alıcı alanından farklı bir yerdeki) bir hedefi gösterirlerken, saptadıkları dendrit çıkıntısının sinapslarındaki değişimleri yakından izledi.

Hedef ne zaman tetiklemek istedikleri yeni alıcı alan konumunda olsa, farenin görsel korteksinin içinde mavi bir ışık yakarak (başka bir nöronun yapabileceği şekilde fazladan etkinlik kışkırtarak) nöronun yanıtını pekiştirdiler. Nöron, genetik mühendisliğiyle, ışık yakıldığında etkinleşecek şekle getirilmişti; bu tekniğe "optogenetik" deniyor.

Araştırmacılar bunu üst üste çok kez yineledi. Işık uyarımı, farenin görüşünde yeni bir konumda hedefin her bir görünüşüyle bağlaşık olduğu için bu durum nöronun çıkıntı üzerindeki belli bir sinapsı güçlendirerek, yeni alıcı alanı kodlamasına neden oldu. Yeni alıcı alanın sinapsı büyürken, ona yakın sinapsların büzüldüğünü, araştırmacılar iki-fotonlu mikroskop altında görebildi. Optogenetik uyarımın olmadığı deneysel kontrol nöronlarında böyle değişiklikler gözlemlemediler.

Ekipten Sami El-Boustani, sağlam beyindeki bir nöronu yeni baştan programlayabilmelerinin ve sinaptik plastisite sayesinde bu hücrelerin yeni işlevler kazanmasına olanak tanıyan moleküler mekanizmaların çeşitliliğini canlı dokuda görebilmelerinin harika olduğunu belirtiyor.

Ekip, bulgularını doğrulamak için bir adım daha attı. Sinapslar çok küçük olduğundan, ışık mikroskopunun çözünürlük sınırına yakınlardır. Deneylerden sonra bilimciler, manipüle edilmiş ve kontrol nöronlarının dendritlerini içeren beyin dokularını çıkararak, İsviçre'deki Lozan Federal Politeknik Okulu'na gönderdi. Orada yapılan yüksek çözünürlüklü 3D elektron mikroskopu görüntülemelerinde, iki-fotonlu mikroskop altında görülen yapısal değişimlerin doğruluğu onaylandı.

Elbette bir farenin genetik mühendisliğiyle değiştirilmiş nöronunu ışık atımlarıyla yeni baştan programlamak, doğal olmayan bir manipülasyon. O nedenle ekip daha klasik başka bir "tek gözden yoksunluk" deneyi de yaptı. Farenin bir gözünü geçici olarak kapadılar; kapalı gözle ilişkili nöronlardaki sinapslar zayıflarken, açık gözle ilişkili sinapslar güçlendi. Daha sonra kapadıkları gözü tekrar açtıklarında, sinaplar yeni baştan düzenlendi. Bu eylemi de izlediler ve sinapslar güçlenirken, hemen yanlarındaki komşularının zayıflayarak bunu kompanse ettiklerini gördüler.

Arc Proteininin Gizeminin Çözülmesi

Keşfettikleri yeni kuralı işlerken gören araştırmacılar, nöronların bu kurala nasıl uyduklarını anlamak istiyordu. Kilit önem taşıyan AMPA almaçlarının sinapslarda nasıl değiştiğini görmek için bir kimyasal etiket kullandılar. Sinaptik genişleme ve güçlenme daha fazla AMPA almaç ifadesiyle bağlaşık iken, büzülme ve zayıflamanın daha az AMPA almaç ifadesiyle bağlaşık olduğunu gördüler.

Arc proteini, AMPA almaç ifadesini düzenler. O nedenle ekip, neler olduğunu tam olarak anlamak için Arc proteinini izlemesi gerektiğinin farkına vardı. Fakat canlı bir hayvanın beyninde bu daha önce hiç yapılmamıştı. Onlar da bu işi yapabilecek bir kimyasal etiket icat etmiş olan Tokyo ve Kyoto Üniversitesi bilimcileriyle iletişime geçti.

Etiketi kullanarak, Arc ifadesi arttıkça sinapsların AMPA almaç ifadesinin azaldığını anladılar. Ekipten Jacque Pak Kan Ip, Arc proteininin sinaptik kaynaklarda denge sağladığını düşünüyor. Eğer bir yerde bir artış olursa, başka bir yerde azalış olmasının sağlanmasının, Arc proteinin başlıca rolü olduğunu belirtiyor.