Stanford’ın Buluşu: İnsan Beyni Evrim Açısından İki Ayrı Organ Olabilir

Stanford Medicine’den bir araştırma ekibi, insan beyninin tek bir organ olarak değil, yüz milyonlarca yıl boyunca ayrı ayrı ortaya çıkan iki ayrı sistemden oluştuğunu öne sürdü. Gelişimsel biyoloji alanında çalışan Stanford’ın Kyle Loh isimli araştırmacısı ve ekibi tarafından yürütülen çalışma, beynin ön kısmının arka kısmından tamamen farklı kökenli hücrelerden çıktığını gösterdi. Bulgular 18 Eylül’de Nature Neuroscience dergisinde yayımlandı.

Araştırmacılar, insan beyninin aslında iki antik sinir sistemini bir araya getirdiğini keşfetti. Bunlardan biri nefes alma ve kalp atışını kontrol etme gibi hayati işlevlerden sorumlu yapıları üretirken; diğeri dil, matematik, soyut düşünme ve varoluşa dair yansıtma gibi yeteneklerle ilişkilendirilen bölgeleri oluşturuyor.

Bulunan İki Gelişimsel Köken

Ergin beyni üç ana bölgeye ayrılıyor: ön beyin, ara beyin ve arka beyin. Ön beyin, dil, bilinç ve soyut akıl yürütme gibi karmaşık düşünceyle özdeşleştirilen birçok yeteneği destekliyor. Buna karşılık arka beyin kafatasının arka kısmında yer alıyor ve genellikle omurilik beyni olarak adlandırılıyor. Arka beyin, nefes alma, uyku, kalp atışını düzenleme ve iştah gibi hayatta kalma için gerekli otomatik süreçlerin kontrolüne yardımcı oluyor.

Bu bölge ayrıca konuşma ve yutma için önemli olan yüzde, dil ve boğaz kaslarını yönlendiren nöronlara da sahip. Omurilik beyninin bu kritik rolü olmasına rağmen bilim insanları onlarca yıldır laboratuvar ortamında insan arka beyin nöronu üretmekte zorlanıyor. Bu kısıtlama, omurilik beyniyle ilgili ciddi hastalıkları araştırmayı da daha zor hale getiriyor.

Gelişimin Erken Aşamasında Başlayan Bölünme

Kritik bulgu, araştırmacıların embriyonik gelişimin en erken aşamalarından birini incelediğinde ortaya çıktı. Gastrulasyon adı verilen süreçte vücudun temel yapısı şekillenmeye başlıyor.

Jokhai ve Dundes, arka beyinin ön beyin ve ara beyni üreten gelişimsel yolun daha sonraki bir dallanması olarak ortaya çıktığını bulmadıklarını söyledi. Bunun yerine arka beyinin baştan itibaren kendi yolunu izlediğini ve diğer bölgelerle paralel olarak geliştiğini vurguladılar.

Rayyan Jokhai, araştırmanın ortak ilk yazarlarından

Süreci incelemek için araştırmacılar gelişmekte olan fare embriyolarını çalıştı ve iki farklı beyin kökenli hücre popülasyonu tespit etti. Bir popülasyon Otx2 adlı bir gen ifadesini gösteriyor ve ön beynin ile ara beynin oluşmasına mahkum; ikinci popülasyon ise Gbx2 adlı bir gen ifadesini gösteriyor ve arka beyne dönüşüyor. Araştırmacılar, bu iki popülasyonun inceledikleri en erken aşamalarda bile ayrı kaldığını ve birbirleriyle örtüşmediğini buldu.

Bu ayrım ekibin kromatin üzerinde çalıştığında daha da netleşti. Kromatin, hücrelerin içindeki DNA’yı paketleyen ve hangi genlerin kullanılabilir, hangilerinin erişilemez kalacağını kontrol eden malzemedir. Ön sinir ektoderminin (gelecekteki ön beyin ve ara beyin) ile arka sinir ektoderminin (gelecekteki arka beyin) temelde farklı kromatin yapıları vardı. Bu farklar, hücrelerin baştan itibaren ayrı gelişimsel yollara bağlanmasını etkiliyordu.

Bu bulgu, daha önceki çalışmaların insan arka beyin nöronlarını üretmekte neden bu kadar zor olduğunu açıklayabilir. Araştırmacılar muhtemelen bir kökenli hücre tipini asla edinemediği başka bir kader dönüştürmeye çalışıyorlardı.

Rayyan Jokhai, araştırmadan

Laboratuvar Ortamında İnsan Arka Beyin Nöronlarının Yetiştirilmesi

Araştırmacılar arka beyinin ayrı bir gelişimsel yoldan başladığını anladıklarında, bu bilgiyi büyük bir laboratuvar zorluğunu çözmek için kullanabildiler. Ekibin ilk kez insan pluripotent kök hücrelerini – vücuttaki herhangi bir hücreyi oluşturabilen hücre türü – işlevsel arka beyin motor nöronlarına dönüştürmeyi başarıyla yönlendirdi.

Hücreler gerçek arka beyin nöronları gibi davrandı. Aksiyon potansiyelleri adı verilen elektrik sinyalleri ürettiler ve yüzde ile yutma kaslarını kontrol eden arka beynin belirli bölgeleriyle ilişkilendirilen proteinleri oluşturdu.

Daha 500 Milyon Yıl Önceye Uzanan Bir Desen

Ekibin bu gelişimsel bölünmenin ne kadar geriye uzandığını görmek için evrime yöneldi. 550 milyondan fazla milyon yıllık evrimsel geçmişe bakıldığında tavuklarda, zebra balıklarında ve hatta meşe kurtlarında aynı iki kökenli düzenlemeye dair kanıtlar bulundu. Bu küçük hayvanlar deniz tabanında yaşar ve insanlarla çok uzak bir ortak atasına sahiptir.

Loh, araştırmalarının evrimin mevcut iki sinir sistemini birlikte getirdiğini ve uzaysal olarak birbirine zorladığını öne sürdü. Beyni tek bir organ olarak kullanmak muhtemelen daha verimli olurdu, ancak beyni iki ayrı parça olarak üretmek için bu primordiyal yolu kullanıyoruz.

Kyle Loh, Stanford’daki gelişimsel biyoloji alanında yardımcı profesör

Jokhai ise bulgularının kendisini şaşırttığını belirtti. “Beyin” kelimesi muhtemelen tek bir kökeni olan sürekli bir organı çağrıştırıyor, ancak hâlâ 500 milyon yıl önce bu ayrı sinir sistemleri vardı ve şimdi neredeyse bir bütün gibi çalışıyorlar.

SMA ve ALS Araştırmaları İçin Yeni Fırsatlar

Bu çalışma, omurilik beynini hasar veren SMA, ALS ve diğer bozuklukları araştıran bilim insanları için önemli sonuçlar taşıyabilir. SMA, bir yaş altı çocuklarda ölüme yol açan başlıca genetik nedendir. ALS ise genellikle 40 ile 70 yaş arasında teşhis edilir ve hem ön beyni hem de arka beyni etkiler.

Her iki hastalıkta da belirli arka beyin nöronları giderek işlevlerini yitiriyor. Hastalar sonunda yutma yetisini kaybedebilir; yiyecek veya sıvı akciğere girerse pnömoni riskini artırır ve daha sonra nefes alma yetisini de kaybedebilir.

Bu yıkıcı hastalıkları daha iyi anlamak için bir modelimize sahibiz ve onlar için yenileyici tedaviler geliştirmek üzere çalışıyoruz. Bu, beyin araştırmalarında çok heyecan verici yeni bir ufaktır.

Rayyan Jokhai

Birincil zorluklardan biri insan doku erişimidir. Omurilik beyni örnekleri rutin araştırma için yaşayan hastalardan toplanamaz, bu da etkilenen nöronları doğrudan incelemeyi son derece zorlaştırır. Arka beyin nöronlarını bir kasede yetiştirme yeteneği, bilim insanlarının bu hastalıklarda neyin yanlış gittiğini çok daha hassas biçimde araştırmalarına olanak tanıyabilir.

Araştırmacılar ayrıca omuriliğin gelişimsel olarak nereden geldiğini incelemek ve SMA ile ALS’in arka beyin nöronlarını nasıl bozduğunu daha kesin biçimde belirlemeyi hedefliyor. Çalışmaya California Institute of Technology ve University of California, San Francisco’dan araştırmacılar da katkıda bulundu.