İnsan Beyni Birbirine Kaynaşmış İki Ayrı Organ Olabilir
Erken beyin gelişimindeki bir ayrışma, araştırmacıların SMA ve ALS hastalıklarına ışık tutabilecek insan arka beyin nöronları geliştirmesine olanak tanıdı.
Beynin arka kısmında yer alan ve nefes alma ile yutkunma gibi işlevlerin kontrolüne yardımcı olan insan arka beyni, laboratuvar ortamında incelenmesi zor bir bölge olagelmiştir. Bilim insanları on yıllar boyunca bu bölgenin nöronlarını laboratuvar ortamında üretmekte zorlanmış; bu durum, söz konusu yetileri kademeli olarak ortadan kaldıran hastalıkları araştırmak adına önemli bir aracın eksikliğine yol açmıştır.
Stanford Medicine liderliğindeki araştırmacılar, embriyonun şekillenmeye başladığı evrede ortaya çıkan gelişimsel bir ayrışmayı tespit ederek, kasları kontrol eden sinir hücreleri olan işlevsel insan arka beyinbeyin motor nöronlarını üretmeyi başardılar. Yaptıkları çalışma, bu hücrelerin elde edilmesinin, beynin diğer temel bölgelerini oluşturan süreçten farklı bir başlangıç noktası gerektirdiğini ortaya koyuyor.
Ekip, vücuttaki her türlü hücre tipine dönüşebilme yeteneğine sahip insan pluripotent kök hücreleriyle işe koyuldu ve bu hücreleri, yeni tanımlanan gelişimsel yol boyunca yönlendirdi. Elde edilen nöronlar, sinir hücrelerinin iletişim kurmak için kullandığı elektriksel sinyaller olan aksiyon potansiyelleri üretti. Ayrıca bu nöronlar, yüz ve yutkunma kaslarını kontrol eden arka beyin bölgelerine özgü proteinleri de sentezledi.
Arka beyin nöronları bir hastalık modeli sunuyor
Bu hücrelere erişim imkanı, araştırmacıların spinal müsküler atrofi (SMA) ve Lou Gehrig hastalığı olarak da bilinen amyotrofik lateral skleroz (ALS) hastalıklarını incelemelerine yardımcı olabilir. Bilim insanları canlı hastalardan beyin sapı dokusu alamadıkları gibi, insan arka beyin nöronlarını laboratuvar ortamında üretmenin zorluğu da bu hastalıkların söz konusu hücreleri nasıl etkilediğini inceleme kapasitelerini ciddi ölçüde kısıtlamıştır.
SMA, 1 yaşın altındaki çocuklarda ölüme yol açan başlıca genetik nedenlerden biridir. Genellikle 40 ila 70 yaşları arasında teşhis edilen ALS ise hem arka beyni hem de üst düzey düşünme süreçlerinden sorumlu olan ön beyin bölgesini etkiler. Her iki hastalıkta da belirli arka beyin nöronları zamanla işlevini yitirir. Hastalar yutkunma yetilerini kaybeder; bu durum, yiyecek veya sıvıların akciğerlere kaçarak zatürreye yol açmasına neden olabilir. Nihayetinde ise hastalar nefes alma yetilerini kaybederler.
Stanford’da lisansüstü öğrencisi ve çalışmanın ortak ilk yazarı olan Rayyan Jokhai, “Artık bu yıkıcı hastalıkları daha iyi anlamamızı ve bunlara yönelik yenileyici tedaviler geliştirmemizi sağlayacak bir modele sahibiz,” dedi. “Bu, beyin araştırmalarında çok heyecan verici, yeni bir sınır.”
Tek bir beyin için iki başlangıç noktası
Nöronların nasıl geliştirileceğini çözmek amacıyla Jokhai ve yine bir lisansüstü öğrencisi ve çalışmanın ortak ilk yazarı olan Carolyn Dundes, vücudun ilk şeklini aldığı embriyonik gelişimin erken bir evresi olan gastrulasyon sürecine odaklandılar.
Jokhai, “Kök hücre biyolojisinde insanlar her zaman nöron gibi nihai hücre tipini oluşturmaya odaklanırlar,” dedi. “Ancak embriyonik gelişimin en erken aşamalarından işe başlamak önemlidir. O erken dönemdeki sürece gösterdiğimiz titiz yaklaşım, beyin gelişimindeki bu temel ayrımı keşfetmemizi sağladı.”
On yıllar boyunca hakim olan görüş, tüm beynin tek bir tür progenitör (öncü) hücreden meydana geldiği yönündeydi. Bu modele göre, yetişkin beyninin üç ana bölgesi olan ön beyin, orta beyin ve arka beyin, gelişimsel olarak aynı başlangıç noktasını paylaşıyordu.
Bu bölgeler zamanla farklı roller üstlenir. Ön beyin; dil, bilinç ve matematik ile şiir gibi yetenekleri de kapsayan soyut muhakeme süreçlerini destekler. Arka beyin ise kalp atışı, nefes alma, uyku ve açlık gibi otomatik işlevleri düzenler. Ayrıca arka beyin nöronları; konuşma ve yutkunmada rol oynayan yüz, dil ve boğaz kaslarını kontrol eder.
Araştırmacılar, gelişmekte olan fare embriyolarını inceleyerek iki ayrı beyin öncü hücre popülasyonu tespit ettiler. Otx2 adlı geni ifade eden hücreler ön beyin ve orta beyni oluştururken, Gbx2 adlı başka bir geni ifade eden hücreler arka beyne dönüşmek üzere özelleşmişti. Ekibin incelediği en erken aşamalarda bile bu popülasyonlar birbiriyle örtüşmüyordu. Arka beyin gelişim hattı, ön ve orta beyni oluşturan hattan ayrılmak yerine, o hattın yanı sıra ilerliyordu.
Gelişim biyolojisi alanında doçent ve çalışmanın kıdemli yazarı olan Dr. Kyle Loh, “Beynin ön kısmının, arka kısmından tamamen farklı bir öncü hücreden meydana geldiğini ilk kez gösterdik,” dedi. “Keşfimiz, artık beynin arka kısmından —yani arka beyinden— alınan nöronları bir petri kabında yetiştirip işlevlerini inceleyebileceğimiz anlamına geliyor.”
Bu ayrım, hücrelerin kromatin yapısında da kendini gösteriyordu; kromatin, DNA’nın bazı kısımlarını erişilebilir kılarken diğerlerini kapalı ve derli toplu tutan bir paketleme sistemidir. Bu paketleme biçimi, bir hücrenin hangi genleri kullanabileceğini etkilediği için, hücrenin nihayetinde neye dönüşeceğinin belirlenmesine de yardımcı olur.
Ön beyin ve orta beyni oluşturacak olan embriyonik doku (anterior nöral ektoderm), arka beyni meydana getiren dokudan (posterior nöral ektoderm) temelden farklı bir kromatin yapısına sahipti. Bu farklılıklar, öncü hücreleri kendi gelişimsel yollarına hapsederek, daha önceki laboratuvar çalışmalarının neden zorluklarla karşılaştığına dair bir açıklama sunuyordu.
Jokhai, “Arka beyin nöronları üretmeye yönelik önceki girişimler muhtemelen ön ve orta beyin öncü hücrelerini arka beyin hücrelerine dönüştürmeye çalışıyordu; ancak çalışmamız bunun mümkün olmadığını gösteriyor,” dedi.
İki sinir sistemi birleşti mi?
*Nature Neuroscience* dergisinde yayımlanan bulgular, beynin evrimsel geçmişine dair bir soruyu da gündeme getiriyor: Eğer beynin ön ve arka kısımları ayrı ayrı gelişiyorsa, bunlar başlangıçta ayrı sinir sistemleri olarak var olmuş olabilirler mi?
Araştırmacılar, 550 milyon yılı aşkın evrimsel geçmişi incelediklerinde; tavuklarda, zebra balıklarında ve meşe palamudu solucanlarında (acorn worms) aynı ikili gelişimsel köken modelini tespit ettiler. Okyanus tabanında yaşayan bu küçük canlılar, insanlarla uzak bir ortak atayı paylaşıyor. Soyları insan soyundan yaklaşık 600 ila 700 milyon yıl önce ayrılan denizanası türleri ise vücutlarının farklı uçlarında iki ayrı sinir sistemine sahiptir.
Araştırmacılar elde edilen bulguları, beynin, yüz milyonlarca yıl boyunca birbirinden bağımsız olarak evrimleşmiş iki kadim sinir sistemini bir araya getirdiğine işaret eden kanıtlar olarak yorumluyor.
Loh, “Araştırmamız, evrimin halihazırda var olan iki sinir sistemini alıp bunları uzamsal olarak bir araya getirdiğini öne sürüyor,” dedi. “Beynin tek bir organ olması muhtemelen daha verimli olurdu; ancak biz, beyni iki ayrı parça halinde oluşturmaya dayalı bu ilkel yöntemi kullanmaya devam ediyoruz.”
Jokhai, “Bulgularımız beni şaşırttı; çünkü ‘beyin’ kelimesi, muhtemelen tek bir kökene sahip, bütüncül bir organı çağrıştırıyor,” dedi. “Oysa 500 milyon yıl önce bile bu ayrı sinir sistemleri mevcuttu ve günümüzde neredeyse tek bir sistemmiş gibi işlev görüyorlar; bu gerçekten çok etkileyici.”
Hareket, yutkunma ve solunumu etkileyen hastalıkların ötesinde, arka beynin açlığı düzenlemedeki rolü, bu araştırmayı obezite tedavisiyle de ilişkilendiriyor. Semaglutid gibi kilo verdirici ilaçlar, bu bölgedeki açlığı düzenleyen sinir devreleri üzerinde etki gösteriyor.
Ekip, omuriliğin gelişimsel kökenlerini araştırmayı ve SMA ile ALS hastalıklarının arka beyin nöronlarını tam olarak nasıl bozduğunu belirlemeyi planlıyor.
Kaynak: https://scitechdaily.com