Eric Kandel ve Nobel Ödüllü Bir Deniz Salyangozu
Ş. Çağıl İnal, M.Sc. - Ankara Üniversitesi Tıp Fakültesi Fizyoloji ABD.
İnsanlar için öğrenmek, bellek ile birlikte, doğumdan önce başlayan ve ömür boyunca devam eden bir süreçtir. Bireyler yeni deneyimler edindikçe, yeni bilgiler, davranışlar, beceriler öğrenirler veya daha önceden var olanları güncelleyerek belleklerinde depolarlar. Öğrenmenin ve belleğin nasıl oluştuğuna dair merak yeni değildir. Örneğin, antik filozof Platon, hafızayı sağlayan şekil değiştirebilen bir madde sayesinde olduğunu, adeta balmumundan bir tablete iz bırakır gibi saklandığını düşünüyordu. Platon’dan çok daha sonra yaşamış olan Fransız filozof ve matematikçi René Descartes ise hafızanın beyinde aktivite ile oluşan izler ile meydana geldiğini öne sürmüştü. Şüphesiz, öğrenme ile ilgili en çarpıcı buluşlardan birisi köpeklerde şartlanma davranışını gösteren Ivan Pavlov olmuştur. Pavlov’un araştırmaları dünya çapında bilim insanlarını deney hayvanları kullanarak davranışı çalışmaya yönlendirmiştir. Özellikle John Watson ve Karl Lashley’in psikoloji ve davranışsal sinirbilime deneysel olarak yaklaşması, öğrenme ve bellek üzerine olan deneysel çalışmaları arttırmıştır. Davranışsal açıdan anlaşılmaya başlanan ama hücresel ve moleküler temeli karanlıkta kalan bellek ve öğrenmenin bu eksiği, Nazi Almanyası’ndan kaçıp Amerika’ya yerleşen bir Avusturyalı tarafından tamamlanmıştır; Eric Kandel.
Tarihten Nöronlara
2000 yılında, bellek ve öğrenmenin moleküler mekanizmalarına dair buluşlarından dolayı Fizyoloji veya Tıp Alanında Nobel kazanan üç kişiden birisi olan Eric Kandel (diğer iki bilim insanı Arvid Carlsson ve Paul Greengard), sinirbilimle ilgilenenler için oldukça tanıdık bir isimdir. “Nöral Bilimlerin Temelleri” (Principles of Neural Sciences) isimli, sinirbilimin başucu kitabı olarak tanımlanan kitabın baş editörü olan Eric Kandel’in, Nobel’e uzanan yolculuğuna kısa da olsa değinmek, bilime katkısını anlamak açısından önemlidir.
7 Kasım 1929’da Viyana’da dünyaya gelen Eric Kandel, bir Yahudi ailesinin çocuğu olmanın zorluğunu, 9 yaşındayken dönemin artan Nazi baskısına karşı ailesiyle birlikte ülkesinden Amerika’ya kaçarak atlatır. 1944’e kadar dini eğitim alan Kandel, sonrasında liseyi bitirir ve oldukça ilgisini çeken tarih üzerine eğitim almak için Harvard Üniversitesi’ne gider. Burada öğrenme ve belleğe dair merakı artar ancak psikolojik yaklaşım onun için yetersiz kalmaktadır. Bu sırada psikanalize de merak salan Kandel, tıp okumak üzere New York Üniversitesi Tıp Okulu’na kaydolur. Tıp eğitimi boyunca ilgi alanı zihnin biyolojik temellerine, nörofizyoloji ve nöropsikolojiye kayar. Uzmanlığını psikiyatri üzerine yapacaktır.
Karl Lashley’in izinden giden Kandel, Alden Spencer ile birlikte belleğin beyindeki anatomik merkezinin hipokampus olduğunu elektrofizyolojik olarak göstermiştir. Bundan sonrası Kandel için artık hafıza ve bellek üzerine odaklanma sürecidir. Konrad Lorenz, Karl von Frisch gibi bilim insanlarının basit hayvanlarla yaptığı çalışmalardan ilham alan Kandel, öğrenme ve belleğin hücresel ve moleküler zeminini basit bir hayvan ile çalışarak bulacağını düşünür ve uzun bir çalışma sürecini başlatır.
İnsan Beynine “Yumuşakça” Bir Yaklaşım
Kandel insanda öğrenme ve belleği açığa çıkartmak için gerekli yolun, beyin denen kompleks yapıyı basitleştirmekten geçtiğini düşünmekteydi. Bu nedenle küçük memeliler ve hatta diğer omurgalıları da geçerek, bir yumuşakça türüyle çalışmaya karar verdi. Bu oldukça cesaret dolu bir karardı; dönemin araştırmacıları Kandel’in olumlu bir sonuca ulaşabileceğini düşünmüyordu çünkü basit hayvanların, insan davranışını açıklayabilecek karmaşıklığa sahip olmadığına inanıyorlardı. Kandel ise ne kadar basit olursa olsun, temelde bulunan hücrenin, yani nöronun, tüm hayvanlarda fonksiyonel ve kimyasal olarak aynı özellikleri taşıdığını ve bu nedenle insandaki nöronla ortaklık göstereceğinden emindi.
Bu çalışma için Kandel, dev deniz salyangozu Aplysia californica’yı seçti. Bu hayvanın çalışmaya avantaj sağlayacak üç önemli özelliği vardı. Birincisi, insan beynindeki milyarlarca nörona karşılık, Aplysia’da yalnızca 20,000 nöron vardı. Nöronlar, 10 bireysel gangliyon içerisine ayrılmıştı ve bu gangliyonlar çeşitli davranışları kontrol ediyorlardı, dolayısıyla bir öğrenme işlevini incelemek yaklaşık 100 nöron üzerinden sağlanabilecekti. İkinci olarak, bu nöronlar hayvanlar aleminin en büyük nöronlarıydılar, yaklaşık 1000 μm çapa sahiplerdi ve çıplak gözle bile görülebilirlerdi. Ayrıca pigment farklılıkları da vardı ve böylece üstünde çalışması oldukça kolaylaşıyordu. Son olarak bu nöronlara antikor, işaretlenmiş moleküller, genetik faktörler kolayca uygulanabilmekteydi.
Irving Kupfermann ile birlikte Kandel, Aplysia üzerinde çalışabilecekleri en basit davranışı denediler ve dokunma uyaranına karşın Aplysia’nın solungaç ile siphonu (yumuşakçalarda çeşitli alışverişler için kullanılan tüp benzeri bir organ) içeri çekme refleksinin çalışmaları için kullanışlı olduğuna karar verdiler. Kandel ve ekibi bu basit refleks üzerinden bu yumuşakçadaki öğrenme sürecinin insandakiyle oldukça benzer olduğunu ve iki aşamayla gerçekleştiğini fark ettiler: dakikalar süren geçici bir bellek ve günler süren daha sabit bir bellek. Böylece kısa dönem belleğin uzun dönem belleğe geçişini oldukça basite indirgeyebilmişlerdi.
Hızla öğrenme mekanizmalarının nöral devrelerini belirleyen Kandel ve ekibinin bir sonraki amacı nöral devrelerin öğrenmeyi ve bellek oluşturmayı hücresel boyutta nasıl sağladığını öğrenmekti. Öğrenme davranışıyla birlikte nöronlarda DNA ve RNA değişiklikleri olduğu öne sürülmüştü ancak henüz bu kanıtlanabilmiş değildi. Ünlü sinirbilimci histolog Ramón y Cajal’ın da düşündüğü gibi, belirli bir deneyime maruz kaldıkça nöronlar arasındaki sinaptik bağlantıların güçlendiğini gözleyen Kandel ve ekibi, dikkatini sinaptik bağlantıları kuvvetlendiren kimyasal değişikliklere çevirdi.
Meşhur İkincil Haberci; Siklik Adenozin Monofosfat
İlk olarak protein sentezine yöneldiler ve protein sentezini inhibe ettikleri durumda sinaptik değişimlerin nasıl olduğunu incelediler. İlginç bir şekilde, sinapslar bu inhibisyondan etkilenmedi ve değişim göstermeye devam ettiler. Bunun üzerine ikincil bir mesajcı olan ve bazı nörotransmitterler tarafından hücre içinde arttırılan siklik adenozin monofosfata (cyclic adenosine monophosphate, cAMP) yöneldiler. Öğrenme ve bellekle ilişkili olduğunu düşündükleri abdominal gangliyonda bir cAMP artışı söz konusuydu. Çeşitli nörotransmitterleri uygulayıp, hangilerinin cAMP’de artışa neden olduklarına baktıklarında ise iki aday nörotransmitterle karşılaştılar: dopamin ve serotonin. Bu iki nörotransmitter arasından serotonin ön plana çıktı ve Kandel, ekibiyle birlikte modülasyonu sağlayan ara nöronların serotonerjik olduğunu gösterdi. Serotonin kısa dönem bellek ve sinaptik güçlenmede önemli bir nörotransmitterdi.
Buna ek olarak, birlikte Nobel kazandığı diğer bir isim olan Paul Greengard ile yaptıkları çalışmada cAMP’nin sinaptik kuvvetlenmeyi cAMP-bağımlı protein kinaz (cAMP dependent protein kinase, PKA) üzerinden yaptığını gösterdi. PKA aktif hale gelerek potasyum kanallarını fosforile ediyor ve daha fazla kalsiyumun nöron içine girerek daha fazla nörotransmitter salgılıyordu. Ayrıca PKA’yı inhibe ettiklerinde serotonin de etkisini kaybediyordu. Bu bulgular PKA’nın doğrudan kısa dönem sinaptik düzenleme için oldukça önemli olduğunu göstermişti.
Peki uzun dönem belleği sağlayan şey neydi? Kandel bunun için hücre içinde bir protein sentezi olması gerektiğinden emindi. Bunun için bir duyu nöronu, bir serotonerjik ara nöron ve bir motor nörondan oluşan hücre kültürü üzerinde çalıştılar. Ortama serotonin uyguladıklarında, hücre içindeki PKA miktarının artışıyla birlikte, mitojenle aktifleşen protein kinaz (mitogen activated protein kinase, MAPK) miktarı da artıyordu ve ikisi birlikte çekirdeğe (nukleusa), yani gen ifadesinin başlangıç noktasına giriyordu. Gen ifadesinin başlangıç noktası, bir transkripsiyon faktörü olan cAMP duyarlı eleman bağlayıcı protein 1 idi (cAMP responsive binding protein 1, CREB-1) genlerin başlatıcı (promoter) bölgelerine bağlanıyordu. Böylece yeni sinaptik bağlantıları sağlayacak proteinlerin sentezlenmesi sağlanıyordu.
Kandel ve çok sayıda ünlü isme sahip ekibinin yaptığı bu çalışmalar, sinaptik bağlantılardaki hücresel ve genetik mekanizmaları, nöronal sinyal iletiminde cAMP ve PKA’nın önemi, öğrenme ve belleğin bu bulgular üzerinden nasıl gerçekleştiğinin açıklanması gibi çoğu temel bilginin oluşmasını sağlamıştır. Günümüzde sinirbilim çalışmalarının bu temel bilgiler üzerine inşa edildiği düşünüldüğünde, Arvid Carlsson ve Paul Greengard ile birlikte Eric Kandel’in bu alandaki öncülüğünün değeri anlaşılmaktadır.
Kaynakçalar
Winlow W, Kandel ER. (1976). The morphology of identified neurons in the abdominal ganglion of Aplysia californica. Brain research. 112(2):221-249.
Jörnvall H. (2003) Nobel Lectures, Physiology or Medicine 1996-2000. Singapore: World Scientific
Clark RR. (2017). A History and Overview of the Behavioral Neuroscience of Learning and Memory. Behavioral Neuroscience of Learning and Memory (sf. 1-11). Springer, Cham.
Kandel ER. (2004). The Molecular Biology of Memory Storage: A Dialog Between Genes and Synapses. Bioscience Reports. 24:475–522.
Eric R. Kandel - Biographical. The Nobel Prize in Physiology or Medicine 2000. Retrieved from https://www.nobelprize.org/prizes/medicine/2000/kandel/biographical
Eric R. Kandel – Facts. The Nobel Prize in Physiology or Medicine 2000. Retrieved from https://www.nobelprize.org/prizes/medicine/2000/kandel/facts/