Düşüncenin kökeni gliyal hücreler ne yaparlar?

Beynin neredeyse yüzde 90'ı nöronlardan değil; gliyal hücrelerden oluşmuştur. Andrew Koob, bu gözden kaçmış hücrelerin hayal gücünün bir kaynağı olabileceğini iddia ediyor...

Andrew Koob, Nörobilim üzerine olan Doktora ünvanını 2005'te Purdue Üniversitesi'nden aldı ve Dartmouth College, San Diego'daki California Üniversitesi ve Almanya'daki Münih Üniversitesi'nde araştırma görevleri üstlendi. Kendisi, beyindeki en bol hücre türü olan "Gliyal hücrelerin" amacını ve fonksiyonunu keşfeden "Düşüncenin Kökeni" kitabının da yazarıdır. 'Mind Matters' editörü Jonah Lehrer, Koob'la gliyanın neden yüzyıllar boyu göz ardı edildiğini ve gliya hücreleri üzerine olan yeni deneylerin zihnin bazı en gizemli durumlarına nasıl ışık tuttuğunu konuşuyor...

LEHRER: "Düşüncenin Kökeni" adlı yeni kitabınız, beyindeki hücrelerin neredeyse yüzde 90'ını oluşturan gliyal hücrelerin gücüyle alâkâlı. Gliyal hücreler ne yaparlar? Ve, kafamızın içinde neden onlardan bu kadar çok var?

KOOB: Bilim adamları ilk başta  bir şey yaptıklarını düşünmediler. Beyin bilim adamları son 20 yıla kadar nöronların birbirleriyle iletişim kurduklarını, düşüncelerimizi yansıttıklarını ve gliyanın bir evi ayakta tutan bir tür sıva ve harç olduğuna inandılar. Onlar, nöron iletişimi için temel yalıtkanlardı. Birkaç tür gliyal hücre vardır; fakat bilim adamları yakın bir zamanda kortekste bol olan "astrosit" adı verilen belirli türdeki gliyal hücreler üzerine odaklanmaya başladılar. İlginç şekilde, siz evrimsel merdivenden yukarı tırmanmaya başladıkça, insanda en çoğu ve en büyüğü olan korteksteki astrositler de büyüklükte ve sayıda artarlar. Bilim adamları astrositlerin kortekste birbirleriyle iletişim kurduklarını ve nöronlara bilgi gönderebildiklerini de keşfetmişlerdir. Bir de astrositler, beyindeki yetişkin kök hücredirler ve beyin aktivitesinin bölgelerine kan akışını denetlerler. Tüm bu önemli niteliklerden dolayı ve korteksin de daha ileri seviye düşünceden sorumlu olduğuna inanıldığından ötürü, bilim adamları astrositlerin düşünceye katkı sağlamış olması gerektiğini fark etmeye başlamışlardır.  

LEHRER: Gliya neden bu kadar uzun zamandır yoksayıldı?

KOOB: Bunu anlamak için, beyin bilimi tarihine  bir gezinti yapmalısınız. Gliya, 'nöron fikri' üzerine olan mücadelenin 200 yıldır kenar çubuğuydu. Birkaç önemli kısım şuydu: 18.nci yüzyılın sonlarında, bilim adamları kurbağaların omurgasındaki nöronun elektriksel niteliklerini keşfettiler. Nöronlar  hücre gövdesinden, beyinden omurganın içerisine ve dışına eklemli organlara ve bedene uzanan "aksonlar" adı verilen, üzerinde çalışılması kolay, uzun iplere sahiptirler. Benzer şekilde, duyu nöronları beyin nöronlarıyla bağlantılıdırlar. Bu, nöronlar görüşünün düşüncelerimizin kökeni olarak nerede kökleştiğidir. 19.ncı yüzyıl ortalarında  gliya henüz yeni keşfediliyordu ve bilim adamları gliyal hücrelerin sadece nöronları bir arada tuttuğunu anladılar (gliya, yunancada yapışkan demektir). Bir anlamda gülünç bulduğum şey; bilim adamlarının düşüncelerimiz ve kişiliğimizden sorumlu bir organ olan beynimizdeki sayısız hücreyi tesadüfen bulmuş olmalarıdır. Fakat, nöronlar üzerinde o kadar çok yoğunlaşmışlardı ki; yeni hücrenin değersiz olduğunun sonucuna vardılar. 19.ncu yüzyılın sonlarında beyindeki hücrelere daha etkili bakmak için renklendirme metodu geliştirildi. Santiago, İspanya'dan parlak zekalı bir araştırmacı olan Ramon y Cajal, beyin üzerinde çalışmayı nöronların bakış açısıyla üstlendi. "Nöron Doktrini" ne yönlendiren, bilgiyi nasıl işlemden geçirdikleri ve nasıl bağlantılı olduklarına yönelik olan planı titizlikle ayrıntılarıyla planladı ("Nöron Doktrini", nöronların düşüncelerimizden sorumlu olduklarını söyleyen bir düşüncedir). Bununla birlikte, Cajal'a gliyal hücreler zahmet veriyorlarmış gibi gözüktü. Çok sayıdaydılar ve açıkçası, tüm korteksin etrafında asılıydılar. Tam bu sırada, kendisi de bir bilim adamı olan erkek kardeşi Pedro, gliyal hücrelerin nöron elektriksel niteliklerini koruyan 'destek hücreler' oldukları teorisini geliştirdi. Cajal, erkek kardeşinin teorisini desteklemeye karar verdi. Ve, Nobel ödülünü kazandığı 1906 yılından beri de bu, bir dogma haline geldi.

LEHRER: Bilim adamlarını  gliyal hücrelerin rolünü yeniden düşündürmeye yönelten bazı ilk deneyleri anlatabilir misiniz? 

KOOB: Gliyal deneyleri 1960'lara kadar olmadı. Eğer nöronları petri kabına (bakteri üretme tabağına) koyarsanız, orada gliya olması gerektiğini ya da nöronların öleceğini tüm bilim adamları bilir. Daha sonra Harvard'dan Stephen W. Kuffler, bilinmeyen nedenlerle Pedro'nun yalıtım teorisini test etmeye karar verdi. Bu, beyindeki hücre sayımlarının gliyal hücrelerin beynin yaklaşık yüzde 90'ı olduğunu gözler önüne serdiğiyle neredeyse aynı zamandaydı (bu, beynimizin sadece yüzde 10'unu kullandığımız nörona dayalı fikrin nereden geldiğidir). Kuffler unutulmaz bir kişidir; bu çığır açan gliyal deneyleri gerçekleştirirken ne gariptir ki Harvard Nöro-biyoloji bölümünü kurmuştur. Her neyse, Kuffler astrositleri sülükten ve salamanderden aldı ve nöronlar uyarıldıktan sonra nöronlardan sızmasıyla bilinen bir şeyi, potasyumu ilave etti. Bunun Pedro'nun gliyal hücrelerin yalıtkan olduklarına dair olan teorisini teyit edeceğini düşündü. Bunun yerine keşfettiği şey, gliyal hücrelerin elektriksel potansiyelinin potasyuma yanıt vermesiydi. Kuffler ve onun çalışma arkadaşları, astrositlerin nöronlara çok benzer bir şekilde elektriksel potansiyeli ortaya koyduklarını  keşfetti. Onlar ayrıca kurbağa ve sülükte uzun zamandır düşüncenin kimyasal kopyası olduğuna inanılan  nöronal iyon değişimden astrositlerin etkilendiğini keşfettiler. Gliyal hücrelerin yanıt  verdiğinin ve nöro-transmitter'ları (ileticileri) salgıladığının keşfedildiği 80'li yılların sonları ve 90'lı yılların başları da dahil, o zamandan beri pek çok araştırmacı  gliyal hücrelerin nöronlarla olan iletişimci yeteneği üzerindeki deneyleri tamamladı.

LEHRER: Kalsiyum dalgaları neden önemlidir?  

KOOB: Kalsiyum dalgaları kısaca, astrositlerin kendileriyle nasıl iletişim kurduklarıdır. Astrositler gövdelerinden yayılan yüzlerce uzantıya sahiptirler.Mini ahtapota benzerler ve bu uzantıları kan damarlarıyla, diğer astrositlerle ve nöronal sinapslarla bağlarlar.  Astrositler uyarıldıklarında kalsiyum salgılanır, kalsiyum daha sonra uzantılarıyla diğer astrositlere seyahat eder. "Kalsiyum dalgaları" terimi, kalsiyum salgılanmasını; astrositler, astrositler ve nöronlar arasındaki değişimi tarif eder. Ann H. Cornell-Bell ve Steven Finkbeiner başta olmak üzere Yale'deki bilim adamları, kalsiyum dalgalarının bir astrositin uyarı noktasından orijinal astrositin büyüklüğünden yüzlerce katı büyük bir alandaki diğer astrositlere yayılabildiğini göstermiştir. Daha da fazlası, kalsiyum dalgaları nöronların ateşlenmesine de neden olabilir. Ve korteksteki kalsiyum dalgaları, bu tür iletişimin bazı düşünceleri işlemden geçirmeye olanak sağlayabileceği görüşüne varmaya yönlendirmektedir. Eğer bu ikna edici değilse, yakın bir zamanda THC'nin astrosit kalsiyum salgılanmasını ateşleyebilmesi gibi, bir molekülün de aynı reseptörleri uyardığı kanıtlanmıştır.  

LEHRER: Gliya ve onun kalsiyum dalgalarının yaratıcılıkta bir rol oynayabileceğini ileri sürüyorsunuz. Bunu açıklayabilir misiniz?

KOOB: Bu kanı rüyalardan, duyusal depivasyon (yoksunluk) ve hayal kurmadan geliyor. Duyularımıza nöronlar aracılığıyla olan bir girdi olmadan, böyle canlı düşüncelere nasıl sahip oluruz? Derin düşündüğümüzde, görünüşte çevremizdeki her şeyi nasıl durdururuz?  Bu teoride, nöronlar adalesel hareket ve dışsal duyularımıza bağlıdırlar. Astrositlerin bu bilgi için nöronları izlediğini biliyoruz. Benzer şekilde, nöronları ateşlemeyi tetikleyebilirler. Bundan dolayı astrositler, nöron davranışını ayarlarlar. Bu, astrositlerdeki kalsiyum dalgalarının düşünen zihnimizde olduğu manasına gelebilir. Astrositsiz işlemden geçirme nöronal aktivitesi, basit bir reflekstir; bundan daha karmaşık olanı astrosit işlemden geçirmeyi gerektirebilir. İnsanların bütün hayvanlardan daha çok ve en büyük astrositlere sahip olduğu faktörü, yaratıcılık ve hayal kurmayı yapabilmemiz de bu spekülasyona güven sağlamaktadır.Ayrıca, kalsiyum  rastgele salgılanır ve astrositlerden gelen uyarı olmadan, ufak patlaklardaki  iç bellekler 'şişlik' olarak adlandırılırlar. Bu rastgele olan şişlikler dalgalara yönlendirebilirler. Rüyalar görülürkenki olan ve duyusal deprivasyon deneyimi  esnasında görünüşteki rastgele  düşüncelerin astrositlerimizde dalgalar haline gelen kalsiyum şişliklerinin olabileceği muhtemeldir. Astrositlerin kortekste beyni işlemden geçirmeyle âlakâlı oldukları açıktır, fakat ana sorular düşüncelerimizin ve hayal gücümüzün nöronlarla birlikte çalışan astrositlerden mi, yoksa; düşüncelerimizin ve hayal gücümüzün sadece astrositlerin alanından mı çıktığıdır. Belki de, nöronların rolü astrositlere destek olmaktır!

Çeviren: Esin Tezer

http://www.scientificamerican.com/article/the-root-of-thought-what/

Beynin genetik coğrafyası

Siz bu sözcükleri okudukça, gözleriniz  zihninizin anlamaya çalıştığı modelleri toplayıp sayfayı tarar. Aynı anda da kalbiniz kasılır ve gevşer, diyaframınız şişer ve nefes almanızı kontrol altına almak için iner, sırt kaslarınız dik durmanızı sağlamak için gerilir.Yaklaşık 86 milyar nöronun ve kafatasınızın içerisindeki eşit sayıdaki destek hücrelerinin koordineli kontrolü altında bilinçli ve bilinçaltı yaşamın diğer temel 1.000 görevi devam eder. Bizim gibi nörobilimadamlarına göre, basit bir dergi okuma eylemi bile harikulade bir zevk olduğu gibi belki de bugün bilimdeki en zor örnektir: Gerçekte, insan beyninin nasıl düşündüğünü ve  maymun beyninin bizim yaptığımız gibi neden muhakeme yürütemediğini hâlâ tam olarak açıklayamıyoruz...

Bazen yeni keşfedilmiş bir kıtanın karasına ayak basmış kaşifler gibi hissetsek bile, nörobilimadamları yüz yıldan fazladır insan beyni üzerinde yoğun bir şekilde çalışıyorlar. Bunu ilk başaran kişi, tüm sinirleri ve konturları haritada gösterdi. Alman bilim adamı Korbinian Brodmann, 1900'lerin başlarında insan beyinlerini dilimledi ve algının, düşüncenin ve hafızanın bir çoğunu idare eden gri maddenin dış katmanları olan Serebral Korteks'i incelemek için  mikroskobunun altına yerleştirdi. Bu korteksi, organın topolojisine dayanarak ve her bölgedeki hücre belirli lekelerle sınıflandırıldığında bölümlere ayırdı.

Görüntü günbegün her bölgenin, her belirli hücre kümesinin özel bir fonksiyon serisini idare ettiğini yakaladı.Bazı nörobilimadamları bu teoriye fonksiyonun mekân tarafından bölündüğünü söyleyip meydan okudular. Fakat "bölünme modeli (parcellation model)"; yeni aletlerin ortaya çıkışıyla, en görünür bir şekilde insanlar okurken, rüya görürken veya yalanlar söylerken bile beynin hangi kısımlarının "aydınlandığını (oksijen bitirdiğini)" kaydeden fonksiyonel manyetik rezonans imajlama (MRI)'yla yeniden moda oldu. Araştırmacılar bu teknolojiden, bu aletleri kullanarak 'gerçek-dünyadaki insan davranışında' ne gördüklerini anlatan "haritaları" yapmak için yararlanıyorlar.

Buna rağmen yeni bir düşünce okulu, beynin kalıplaşmış bir çalışma bölümü olmasından çok, bilgi veren sosyal bir iletişim ağı olduğunu varsayıyor. Bu görüşe göre; bir nöronun diğer beyin hücreleriyle yaptığı bağlantılar onun pozisyonunun yaptığından çok, davranışını belirliyor. Ve belirtilen herhangi bir bölgenin davranışı, kuvvetli bir şekilde onun geçmişteki deneyiminden veya şimdiki durumundan etkileniyor. Eğer bu görüş doğruysa, beynin sorumluluklarını idare eden belirli bölgeler arasında örtüşen aktivitesini görmeyi bekleyebiliriz. Bu varsayımı test etme aldatıcı olacaktır. Beyin devrelerinin izini sürmek zordur ve bir insan beynindeki milyarlarca nöron belki de 100 trilyon bağlantıyla ya da sinapsla iletişim sağlar. Fakat bu işte gerekli yeni aletleri geliştirmek için olan projeler üzerindeki çalışma devam etmektedir.

İnsan Genom Projesi insan DNA'sındaki kod harflerin dizilişini 2003'te yayınladığında, Seattle Allen Beyin Bilimi Enstitüsü'ndeki bizler ve çalışma arkadaşlarımız, 20.000 kadar insan geninin ve hızlı bir şekilde gelişen gen-tarama sistemlerinin yeni kataloğunu kullanmayı bu tartışmayı bilgilendirebilecek yeni bir bakış açısından bakmayı bir fırsat olarak gördük.

Klasik nörobiliminkiyle genetiğin aletlerini birleştirerek, haritası yapılmamış kıtanın balta girmemiş ormanına dalabileceğimizin farkına vardık: Aslında, beynin tüm hacmi boyunca genomun hangi kısımlarının aktif olduğunun ve hangi kısımlarının da etkisiz olduğunun haritasını çıkarabilirdik. Bu haritanın etkinleştirilen çok farklı bir gen dizilimini, diyelim ki; beynin dokunmayı, hareketi veya akıl yürütmeyi düzenleyen kısımlarından, duymayı idare eden kısmını göstereceğini zannettik. Başarmak için neredeyse on yılı bulan hedefimiz; tek olan genlerin sağlıklı insan beyninde nereyi idare ettiğini ve bunun farelerle karşılaştırmasını  haritada gösteren üç boyutlu atlasları yapmaktı (Şimdi maymunları da ilave etmeye çalışıyoruz). Böyle moleküler haritalar, İnsan Genom Projesi tarafından yapılan DNA dizilişi örneğine çok benzer bir şekilde neyin "normal" olduğunu veya en azından tipik olduğunun paha biçilmez değerlendirmelerini sağlar. Bu atlasların araştırmacılara insan beyninin yapısı hakkındaki temel merakı keşfetmelerine olanak sağlamakla birlikte, nörobilim ve ilaç keşfinde de gelişmeyi hızlandırmalarını umuyoruz.  

İnsan ve kemirgen hayvanların beyinlerinin içsel çalışması şimdiden yeni görüşlerde bazı sürprizleri getirdi. Büyük sürpriz şöyle: Her kişi kendine özgü olsa da, gen aktivitesinin modelleri bir insan beyninden bir diğerine dikkat çekecek derecede benzemektedir. Farklılıklarına rağmen insanlar, beyinlerinde alışılagelmiş bir genetik coğrafyayı paylaşıyorlar. Daha da fazlası, umulmadık bir biçimde, her bir bireydeki sol ve sağ beyin arasındaki gen hareketlerinde hiçbir büyük farklılık keşfetmedik. Ve fareler pek çok nörobilim araştırmasında ve önceki ilaç denemelerinde insanlar için örnek olarak kullanılsalar da, bu yeni sonuçlarda açık ki, basitçe söylemek gerekirse; insanlar genetik seviyede 'BÜYÜK FARELER' değiller! Bu keşif, kendi türlerimizdeki nörobiyolojiyi anlamada model olarak farelerin kullanımının doğruluğunu sorguluyor.

FAREDEN İNSANA

Bir memelinin beyninin tüm genetik haritasını şimdiye kadar kimse yapmadı. Bir çok detayı çözmek için, ufak ufak, fare beyniyle başladık. Fareler neredeyse insanlarınki kadar bir çok gene sahiptir, fakat beyinlerinin kütlesi bizimkinin sadece üçte biridir. Üç yıl içerisinde genin kullanıldığını belli eden, belirli genin ifade edildiğinde oraya yapıştığı, herbirini gözle görülebilir işaretleyicilerle ıslattığımız bir milyondan fazla fare beyni dilimini işlemden geçirdik: "Transkript" adı verilen RNA'nın küçük bir parçasına DNA'dan kopyalandılar. RNA transkriptleri; enzimatik reaksiyonu taşıyan veya hücresel makinenin bir bölümü gibi işe yarayan, genellikle hücrede etkili olan bir proteine, gen tarafından kodlanan son ürüne gitmekte olan ara girişimlerdir. Bazı RNA transkriptleri, protein formuna hiç çevirtilmeden direkt olarak işe yararlar. Ve tüm protein-kodlayan genlere ilave olarak, binlerce türdeki kodlamayan RNA'yı arayabildik.

Fare projesi, tekniklerimizi geliştirmenin ötesinde şaşkınlıklarımızdan bir tanesine de yardım etti. İnsan tabii ki, bir faredeki neredeyse her hücre kromozomunun tam bir dizilimini ve bu yüzden de hayvanın genomundaki her genin en azından bir kopyasını kapsar. Olgun hücrelerde, bu genlerin büyük bir kısmı belirli herhangi durumda sessizdir: Onlardan hiçbir RNA yapılmaz. Fakat fare atlasını 2006'da tamamladığımızda, farelerin sahip olduğu birçok genin, en az her beş genden 4'ünün, öldükleri zaman hayvanların beyinlerinde bir yerde işlev gördüğünü gördük (Nörobiyologlar, genetik aktivite modellerinin esas itibarıyla saat zaman ölçüsü esnasında değiştiğini ve bunun ölümden saatler sonra da devam ettiğini biliyorlar). Biz insan beyninin beyin atlasını oluşturmak için planlar yapmaya başladıkça, insan beyinlerinin aynı şekilde yüksek seviyede genetik aktiviteyi gösterip göstermeyeceğini merak ediyorduk ve daha da önemlisi, belirli aktivite modellerinin o farelerde gözlemlediklerimizle hemen hemen aynı benzerliği gösterip göstermediğiydi.

İlk insan beynimizi 2009'un yazında, beyni ailesi tarafından bağışlanan, bozulmamış organın virtüel 3 boyutlu modelini yapmak için beyni MRI tarafından taranan ve daha sonra da normal RNA modellerinde korumak için kazaen olan ölümünden 23 saat sonra  tamamen dondurulan 24 yaşındaki siyahi Amerikalı bir beyden aldık. Kendisi astımlı olması haricinde sağlıklıydı.

Fare beyni projesinin 3.000-kat büyüklük artışıyla uğraşmada, gen dışavurumunu ölçmek için farklı bir yönteme geçtik: Lekelenen ve ince detaylı donmuş beyin ince dilimlere ayrıldı. Anatomistler daha sonra beyin boyunca önceden seçtiğimiz pozisyonlardaki yaklaşık 900 iskeletten mikroskobik örnekler kırpmak için lazerleri kullandılar.Moleküler biyologlar; insan genomundaki her bir bireysel protein kodlayan gende mevcut RNA miktarını aynı anda ölçen topluca üretilmiş dalgametreyi, yani DNA mikroçipini kullanarak her bir örneği test ettiler. 

Veriyi ilk beyinden bu yolla topladıktan sonra, tüm sonuçları bilgisayar veritabanına yerleştirdik. Herhangi bir geni seçebilir ve onun yanıt veren RNA'sının ne kadarının 900 iskelette mevcut olduğunu ve bu sebeple o genin donör ölmeden önceki saatlerde ne kadar aktif olarak dışavurulduğunu görebilirdik. Seçtikçe, çok farklı modeller açığa çıktı. Şimdi gerçek keşif başlayabilirdi!

GRİ MADDENİN RENK TONLARI

Veriyi daha evvel baştan sona ilk beyinde inceledikçe; beklenmedik bir biçimde sol yarıküredeki gen dışavurum modellerinin yansıtıldığını, beynin sol kısmının neredeyse tümünün matematik ve lisan gibi belirli fonksiyonlar için uzmanlaşmış olduğunu ve sağ kısmın daha çok sanatsal yöne katkıda bulunduğunu, yaratıcı düşüncenin popüler kültürde iyi şekilde oluşturulabileceğini gördük. Fakat bu beyindeki genetik modellerde böyle farklılıklara dair hiçbir kanıt görmedik. Bu bulguyu incelediğimiz ikinci beyinle teyit ettik. Sonuçlar şüpheleri o kadar ortadan kaldırıcıydı ki; işlemden geçirdiğimizden beri, her dört beyinde de yalnızca tek yarıküre üzerinde çalıştık. Bu keşif, atlas çizimini bir yıl veya biraz daha fazla hızlandırdı.

Farelerde gördüğümüz gibi; incelediğimiz farklı türlerdeki RNA transkriptlerinin yüzde 84'ü, genlerin büyük çoğunluğu altı insan beyninde de bir yerde aktifti. Organ olağanüstü geniş aralıktaki işleri yerine getiriyordu ve atlas, belli gen yığınlarının kendi belirli fonksiyonlarına katkıda bulunarak her ana bölgede iş başında olduğunu gözler önüne serdi. Üzerinde çalıştığımız beyinlerin donörleri erkeği ve kadını, genci ve yaşlıyı, siyahi ve beyazı, ve de hispanik grubu kapsadı. Bazıları büyük, diğerleri de daha küçük beyine sahipti. Bu farklılıklara rağmen, altı beynin hepsi de yüksek seviyede uyumlu gen aktivitesi modellerine sahipti. Zamanın yüzde 97'den fazlasında, bir beynin bir kısmında yapılan pek çok RNA'yı gördüğümüzde, aynı şey diğer çoğunlukta da meydana geliyordu.

Beynin çeşitli kısımlarındaki gen aktivite dizilimlerini incelemeye başladık. Örneğin; insanların  Serebral Korteks'te yüksek seviyede aktif olanlara karşı sürüngenlerle paylaştıkları Orta Beyin'de (Eski Beyin'de) çok kullanılan genleri karşılaştırdık. Nörologlar beynin daha ilkel kısımlarındaki hücrelerin, Hipotalamus, Hipokampus ve ponslar (vücut ısısı, açlık, uzamsal hafıza ve uykudan sorumlu iki organı birbirine bağlayan bağlar) gibi yapılardaki hücrelerin bir diğerinden oldukça farklı davranan farklı çekirdeklere kümelendiğini gördüler.Bu çekirdeklerin pek çoğunun farklı dizilimlerdeki genleri dışavurduğunu keşfettik. Bu primer yapıların içerisi, aynı anda gürültü yapan genetik seslerin ahenksizliğidir.

Öte yandan korteks, hem hücresel yapısında hem de genetik aktivitesinde farklıdır. Korteks, gri maddenin altı katmanıyla birlikte tabakaya düzenlenen çok çeşitli hücre türlerinden meydana gelmiştir. Diğerlerine oranla yakın bir zamanda gelişmiştir ve insanlarda diğer hayvanlardan farklı olarak, nispeten çok daha fazla göze çarpan bir şekilde genişlemiştir.Gri madde, insan davranışı ve bireysel kişiliğin özgün karmaşıklığını meydana getiren şeydir. Tabii ki öğrenmeyi istedik: Beynin bu en insani davranışını yönlendiren kısmında, korteksin bir kısmında bir diğerine karşı dışavurulan genler arasındaki muazzam farklılıklardan fonksiyon karmaşası doğar mı? Buna rağmen Brodmann, korteksi onlarca iyi tanımlanmış bölümlere ayırdı ve insan davranışında farklı rolleri oynayan her bir bölümün uygulamaya konmuş paralel farklı gen takımlarından meydana gelmesini ümit ettik.

Fakat atlas, yanıtın "hayır" olduğunu ileri sürüyor: Kortekste herhangi belirlenmiş hücre türünün gen aktivitesi, gri madde içerisinde alından kafatasının arkasına kadar dikkat çekecek bir biçimde homojendir.

Her kortikal hücre türünün belirgin genetik imzaya sahip olduğunu keşfettik. Ama beynin arkasındaki gözlerden gelen girdiyi işlemden geçiren görsel korteksin dikkate değer isitisnasıyla, genetik coğrafyada önemli biçimde göze çarpan sınırlar ortaya çıkmaktadır: Beynin alt kısmında duran Serebellum ve insanlarda yakın bir zamanda genişleyen bir diğer yapı, benzer bir şekilde homojenlik denizidir.

Bu sonuçların içlerinde iş başındaki genler tarafından davranışı idare edilen belirli fonksiyonlara bağlı, korteksin düzenli şekilde bölümlere ayırdığı Brodmann'dan ilham alan görüşle uzlaştırılması zordur. Bunun yerine atlas, alternatif bir teoriyi desteklemektedir: Genler; beynin yüzeyinden korteksin altına kadar önceden belirlenmiş şekilde farklı türlerde hücreleri düzenleyen korteksin küçük bir kolonunun temel mavi izini (blueprint'ini) de, çeşitli hücre türlerini de belirlemektedirler. Fakat korteks, bir bütün olarak o standart kolonun pek çok kopyasından meydana gelmiştir. Korteksin tümüyle nasıl davrandığı; nöronların devrelerle bağlantılı olmasının belirli yollarına ve o devrelere isabet eden uyarıcının bir Broadmann bölgesinden bir diğerine olan genetik ativite değişiminde çok fazla bağlı olduğunun görünmesidir.

DAHA ÇOK MAYMUNLARA BENZİYORLAR

Hem fare hem de insan korteksindeki  yaklaşık 1.000 aktif geni karşılaştırdığımızda, yaklaşık üçte birinin bambaşka şekilde dışavurulduğunu keşfetmek bizleri hayrete düşürmüştü: Örneğin; bazı genler bazı türlerde sakindirler ama bir diğerinde değildirler, halbuki diğer pek çoğu farklı oranlarda kullanılmıştı.

Fare ve insan arasındaki benzerliğin derecesi önem taşımaktadır, çünkü  neredeyse tüm nörolojik deneyler ve ilaç örnekleri ilk olarak farelerde uygulanmaktadır. Kemirgenler ucuzdurlar, çabuk büyürler ve kontrol edilmeleri, incelenmeleri kolaydır. Buna rağmen, farelerde başarıya ulaşan terapiler insanlardaki etkili tedavilere doğrudan çok az dönüştürülmektedir. İki tür arasındaki gen dışavurumundaki çelişki bunun neden böyle olduğunu açıklayabilir.

Çarpıcı tezat; şimdiye kadar resus (makak) maymunları üzerinde analiz yaptığımız veri genlerin yüzde beşinden daha azının onların beyinlerinde bizimkinden önemli ölçüde farklı bir şekilde dışa vurulduğunu ileri sürmektedir. Konsorsiyumumuz maymunlar için olan beyin atlası çalışması üzerinde hâlâ çalışmaktadır, böylece biz daha fazla veriyi biraraya getirdikçe sayı değişebilir. Buna rağmen; insan ve maymun beynindeki genetik aktivitenin temel olarak benzer olduğu gözlemi, hücreler içindeki genetik aktivitedense, tür olarak ayırt edici özelliğimizin muhtemel kaynağına, yine beyinlerimizin nöronları arasındaki tellenmeye işaret etmektedir. Daha da fazlası; açık ki, insanlarla daha yakından bağlantılı hayvanlar üzerinde çalışılması gerekli olandan farelerde, örnek olabilecek ilaç hedeflerini ayırmaya yardımcı olmak için araştırmacılar ve ilaç şirketlerinin eline insan beyniyle ilgili daha detaylı bir bilgi vermeye ihtiyacımız var.

Fare beyin atlasını 2007'de piyasaya sürdüğümüzden beri, 1.000'den fazla bilimsel çalışmada kullanılmıştır. 2010'da ilk iki beyinle halk görüşüne açılan insan beyin atlası için  bundan sonraki mantıksal adımlar, haritanın çözünürlüğünü ve kapsamını geliştirmek olacaktır.Biz bireysel beyin hücrelerindeki gen dışavurum modellerini ölçene kadar beyin fonksiyonundaki gen aktivitesinin oynadığı rolü anlamayacağımızı öğrendik. Bunu yapmak, insan beyni gibi büyük ve karmaşık bir organ için gerçekten büyük bir meydan okuyuştur. Fakat, nörogenetikçilerin tek hücrelerden protein kodlayan RNA'yı ölçmesine olanak sağlayan yeni teknolojiler ortaya çıkmaktadır. Bu aletler RNAların proteinlere sebebiyet verip vermediğini aydınlığa kavuşturabilecek  tüm kopyası çıkarılmış RNA parçalarının da tespitine olanak sağlar. "Genomun kara maddesi" olarak adlandırılan, beyinde önemli roller oynar. Allen Enstitüsü; Otizm, Alzheimer hastalığı ve Parkinson hastalığı gibi beyin rahatsızlıklarını araştıran bilimadamlarına işi kolaylaştırmak için, atlası kullanmak için tüm verimizi ve "Beyin Gezgini" adı verilen üzerine tıklamalı bedava, kullanışlı çevrimiçini yaptı.İnsan beyni fonksiyonunu genetik haritası aracılığıyla anlamanın bu başlangıç girişimleri, umulmadık şekillerde inşa olmak için umarız yolu diğerlerine açar.

                                                                                                             

Çeviren: Esin Tezer

Scientific American Dergisi'nin Nisan 2014 sayısından çevrilmiştir.Sayfalar: 70-77 

Beynin onarma ekibi

Bilim adamları uzun zamandır aktif bir yaşam tarzının beyin sağlığını geliştirdiğine inanıyorlardı. Çalışmalar da bunu destekliyor: Fiziksel, zihinsel ve sosyal aktivite veya tabiri caizse "çevresel zenginleşme", öğrenmeyi ve hafızayı geliştiriyor; yaşlanma ve nörolojik rahatsızlıklara karşı koruyor. Yakın zamanda yapılan bir araştırma, çevresel zenginleşmenin hücresel seviyedeki bir yararını ileri sürüyor. Çevresel zenginleşme; yaşlanma, yaralanma veya multipl skleroz gibi rahatsızlıklardan dolayı kaybolabilen, aksonları veya sinir liflerini çevreleyen koruyucu bir yalıtım olan beyin miyelinini  onarıyor. Fakat öncelikle zenginleştirilen bir çevre, miyelin onarımını nasıl tetikliyor?

Cevap, "exosome'lar" adı verilen membrana sarılı paketlerin doğal şekildeki oluşumunu içermekte gözüküyor. Birtakım farklı hücre türleri, bu proteinlerin küçük keseciklerini ve genetik maddeyi vücut sıvılarına salıyorlar. Sağlık Ulusal Enstitüleri'nde nörobiyolog olan R.Douglas Fields, exosome'ların sinyal veren moleküllerle yüklü olarak "şişedeki mesajlar" gibi vücut aracılığıyla yayıldığını söylüyor; belirli hücreleri hedef alıyorlar ve onların davranışını değiştiriyorlar. Hayvanlar üzerindeki çalışmalarda exosome'lar, beyindeki çevresel zenginliğe sebep olan hücrelerin miyelin onarımına başlaması esnasında savunma hücreleri tarafından saklanmışlardır.

Araştırmacılar exosome'ların, hastalıkların teşhisinde biyo-gösterge olarak veya kanser ilaçlarını veya diğer tedavisel faktörleri ulaştırmada bir araç gibi kullanılabileceğini düşünüyorlar.  

Çevresel zenginleşme esnasında üretilen exosome'lar, "oligodendrositler" adlı miyelin yapan hücrelerin içerisini geliştirmede beyindeki gelişmemiş hücreleri bilgilendirip görünen genetik maddenin küçük parçaları olan mikro RNA'ları taşırlar. Chicago Üniversitesi'ndeki araştırmacılar, exosome'ları sıçanların kanından aldılar ve onları yaşlanan hayvanlara verdiler. Ekibin Glia'ya Şubat ayında bildirdiğine göre, daha yaşlı olan sıçanların miyelin seviyeleri yüzde 62 arttı. Araştırmacılar olası tedaviler için rağbet ederek exosome'ların vücut dışında nasıl üretileceğini de keşfettiler. Chicago'da nöroloji profesörü olan Richard Kraig, ekibin savunma hücrelerini kemik iliğinden uyararak "Doğa ananın sunduğu çevresel zenginliği taklit edebildiğini" söylemiştir. 

Kraig’in ekibi şimdi, exosome'ları multipl skleroz hastalığında tedavi için nasıl ustalıkla kullanabileceklerini keşfediyor. Laboratuvar ürünü exosome'lar, multipl sklerozu uyarması amaçlanan örnek sıçan beyin dokusunda  miyelin üretimini canlandırdılar. Kraig ve çalışma arkadaşlarının yakın bir zamanda Journal of Neuroimmunology'ye  bildirdiğine göre exosome'lar, miyelin seviyelerini yüzde 77 normale döndürdüler.    

Nörobiyoloji doktora adayı olan ekip üyesi Aya Pusic, bir sonraki adımın hasta olan canlı hayvanlardaki savunma hücrelerinden toplanan exosome'ların etkili bir şekilde işleyip işlemediğini görmek olduğunu söylemiştir. Pusic, araştırmanın beş yıl içinde insan üzerinde yapılan denemelerde gelişim gösterebileceğini umduğunu söylemiştir.

Çeviren: Esin Tezer

Bu makale Scientific American Mart 2014 sayısı, sayfa 16'dan çevrilmiştir.