Olağanüstü bir keşif: Beynimiz meğer bir değil iki ayrı organmış

Bilim insanları uzun yıllardır insan beynini, tek bir kökenden gelişen bütünsel bir organ olarak kabul ediyordu. Ancak Stanford Medicine liderliğinde yürütülen yeni bir araştırma, bu temel varsayımı tamamen sarsıyor. Araştırmaya göre, “beyin” adını verdiğimiz yapı aslında yüz milyonlarca yıllık evrim sürecinde birbirinden bağımsız olarak ortaya çıkmış iki farklı sinir sisteminin birleşmesinden oluşuyor.

Onlarca yıldır kabul gören hakim modele göre, beynin tamamı tek bir erken öncül (progenitör) hücre nüfusundan gelişiyordu. Bu görüşe göre ön beyin, orta beyin ve arka beyin aynı gelişimsel başlangıç noktasına dayanıyordu.

Ancak yeni bulgular bambaşka bir tablo ortaya koyuyor. Araştırmacılar, insan beyninin çok eski iki ayrı sinir sistemini bir araya getirdiğini keşfetti. Bu sistemlerden biri nefes alma ve kalp atışını kontrol etme gibi hayati işlevlerden sorumlu yapıları oluştururken; diğeri dil, matematik, soyut düşünce ve kendi varlığımızı sorgulama gibi üst düzey yeteneklerle ilişkili bölgeleri meydana getiriyor.

Bu keşif, nörobilim dünyasında uzun süredir devam eden büyük bir muammayı da çözebilir: Bilim insanlarının laboratuvarda neden belirli beyin hücrelerini yetiştirmekte bu kadar zorlandığı. Ayrıca bu gelişme, Spinal Müsküler Atrofi (SMA) ve Amyotrofik Lateral Skleroz (ALS veya Lou Gehrig hastalığı) dahil olmak üzere beyin sapını etkileyen hastalıkların incelenmesi için yepyeni kapılar aralayabilir.

Gelişim biyolojisi doçenti Dr. Kyle Loh, “İlk kez beynin ön kısmının, arka kısmından tamamen farklı bir öncül hücreden kaynaklandığını gösterdik,” diyor. “Keşfimiz sayesinde artık beynin arka kısmındaki (arka beyin) nöronları bir petri kabında yetiştirebilir ve işlevlerini inceleyebiliriz.”

Gelişimsel biyoloji doçenti Kyle Loh’un kıdemli yazar olduğu araştırmanın sonuçları Nature Neuroscience dergisinde yayımlandı. Çalışmanın ilk yazarlığını ise doktora öğrencileri Carolyn Dundes ve Rayyan Jokhai üstlendi.

Beynin İki Ayrı Gelişimsel Kökeni

Yetişkin beyni üç ana bölgeye ayrılır: Ön beyin, orta beyin ve arka beyin. Ön beyin; dil, bilinç ve soyut akıl yürütme gibi karmaşık düşünceyle ilişkilendirdiğimiz becerilerin çoğunu destekler.

Buna karşılık kafatasının arka kısmında yer alan ve sıklıkla “beyin sapı” olarak adlandırılan arka beyin; nefes alma, uyku, kalp ritminin düzenlenmesi ve açlık gibi hayatta kalmak için elzem olan otomatik süreçleri yönetir. Arka beyindeki nöronlar ayrıca konuşma ve yutmada önemli rol oynayan yüz, dil ve boğaz kaslarını da yönlendirir.

Arka beynin bu kritik rolüne rağmen, bilim insanları onlarca yıldır laboratuvarda insan arka beyin nöronlarını üretmekte büyük zorluk çekiyordu. Bu kısıtlama; SMA ve ALS gibi beyin sapını ilgilendiren ağır hastalıkların incelenmesini son derece zorlaştırıyordu.

SMA, 1 yaş altındaki çocuklarda ölümün önde gelen genetik nedenlerinden biridir. Genellikle 40 ila 70 yaşları arasında teşhis edilen ALS ise hem ön beyni hem de arka beyni etkiler. Her iki hastalıkta da belirli arka beyin nöronları kademeli olarak işlevini yitirir. Hastalar zamanla yutma yeteneklerini kaybedebilir (bu durum yiyecek veya sıvıların akciğerlere kaçmasıyla zatürre riskini artırır) ve ilerleyen aşamalarda nefes alma yeteneklerini de yitirebilirler.

Erken Embriyonik Dönemde Başlayan Ayrışma

Araştırmacıların ulaştığı temel kilit nokta, embriyonik gelişimin en erken evrelerinden biri incelenirken ortaya çıktı. Vücudun temel yapısının şekillenmeye başladığı “gastrulasyon” aşamasında önemli bir ayrıntı fark edildi.

Jokhai ve Dundes, arka beynin ön ve orta beyni üreten gelişimsel yolun sonradan dallanan bir parçası olmadığını keşfetti. Aksine arka beyin, en başından itibaren kendi bağımsız yolunu izliyor ve diğer bölgelerle paralel olarak gelişiyordu.

Bu süreci incelemek için gelişmekte olan fare embriyolarını araştıran ekip, iki farklı beyin öncül hücre nüfusu tespit etti:

Otx2 Geni Taşıyan Hücreler: Ön ve orta beyni oluşturmaya programlanmış hücre grubu.

Gbx2 Geni Taşıyan Hücreler: Arka beyni oluşturmak üzere gelişen hücre grubu.

Araştırmacılar, bu iki hücre grubunun incelenen en erken aşamalarda bile tamamen ayrı kaldığını ve asla birbiriyle örtüşmediğini saptadı.

Bu ayrım, ekip DNA’yı hücre içinde paketleyen ve hangi genlerin erişilebilir olup hangilerinin kapalı kalacağını kontrol eden “kromatin” yapısını incelediğinde daha da netleşti. Anterior nöral ektoderm (gelecekteki ön ve orta beyin) ile posterior nöral ektoderm (gelecekteki arka beyin) temelden farklı kromatin konfigürasyonlarına sahipti. Bu farklılıklar, hücreleri daha en başından itibaren tamamen ayrı gelişim yollarına zorunlu kılıyordu.

Jokhai, “Daha önce arka beyin nöronları üretme denemelerinde muhtemelen ön ve orta beyin öncül hücreleri arka beyin hücrelerine dönüştürülmeye çalışılıyordu; ancak çalışmamız bunun mümkün olmadığını gösteriyor,” diyor.

Bu bulgu, geçmişteki denemelerin neden başarısız olduğunu açıklıyor: Araştırmacılar, bir tür öncül hücreyi asla dönüşemeyeceği başka bir kadere zorlamaya çalışıyorlardı.

Jokhai süreci şöyle özetliyor: “Kök hücre biyolojisinde insanlar her zaman nöron gibi nihai hücre tipini oluşturmaya odaklanır. Ancak embriyonik gelişimin en erken aşamalarından başlamak son derece önemlidir. O erken noktaya gösterdiğimiz titiz dikkat, beyin gelişimindeki bu temel ayrımı bulmamızı sağladı.”

Laboratuvarda İnsan Arka Beyin Nöronları Üretildi

Arka beynin ayrı bir gelişimsel yoldan başladığını kavrayan araştırmacılar, bu bilgiyi laboratuvardaki büyük bir engeli aşmak için kullandı.

Ekip, tarihte ilk kez insan pluripotent kök hücrelerini (vücuttaki herhangi bir hücreye dönüşebilme yeteneğine sahip hücreler) başarılı bir şekilde işlevsel arka beyin motor nöronlarına dönüştürdü.

Üretilen hücreler tıpkı gerçek arka beyin nöronları gibi davrandı: “Aksiyon potansiyeli” olarak bilinen elektrik sinyalleri ürettiler ve yüz ile yutma kaslarını kontrol eden arka beynin spesifik bölgelerine ait proteinleri salgıladılar.

500 Milyon Yıllık Evrimsel Bir Desen

Bu gelişimsel ayrımın ne kadar geriye gittiğini görmek isteyen araştırmacılar evrim tarihine odaklandı. 550 milyon yılı aşkın evrimsel geçmiş incelendiğinde; tavuklarda, zebra balıklarında ve hatta insanlarla çok uzak bir ortak atayı paylaşan ve deniz tabanında yaşayan bir solucan türünde (acorn worm) aynı iki kökenli yapıya dair kanıtlar bulundu.

Ayrıca insanlardan yaklaşık 600 ila 700 milyon yıl önce ayrılan denizanasının da vücudunun iki farklı ucunda yer alan iki ayrı sinir sistemine sahip olduğu kaydedildi.

Tüm bu bulgular bir araya geldiğinde, modern omurgalı beyninin evrim sürecinde var olan iki farklı sinir sisteminin fiziksel olarak birbirine yakınlaşmasıyla ortaya çıkmış olabileceği ihtimalini güçlendiriyor.

Loh, “Araştırmamız, evrimin mevcut iki sinir sistemini alıp mekânsal olarak bir araya getirdiğini gösteriyor. Beynin tek bir organ olması muhtemelen daha verimli olurdu, ancak beyni iki ayrı parça halinde yapmak için bu ilkel yönteme güvenmeye devam ediyoruz,” ifadelerini kullanıyor.

Jokhai ise şaşkınlığını şöyle dile getiriyor: “‘Beyin’ kelimesi tek bir kökene sahip bitişik bir organı çağrıştırdığı için bulgularımıza çok şaşırdım. Ancak 500 milyon yıl önce bile var olan bu ayrı sinir sistemleri, günümüzde neredeyse tek bir organ gibi çalışıyor. Bu gerçekten büyüleyici.”

ALS ve SMA Araştırmalarında Yeni Ufuklar

Çalışma; SMA, ALS ve beyin sapına zarar veren diğer bozuklukları inceleyen bilim insanları için kritik önem taşıyor.

Şimdiye kadarki en büyük engellerden biri insan dokusuna erişimdi. Canlı hastalardan rutin araştırmalar için beyin sapı numunesi alınamadığından, hastalıklı nöronları doğrudan incelemek son derece zordu. Arka beyin nöronlarını bir petri kabında yetiştirebilme imkanı, bilim insanlarının bu hastalıklarda neyin ters gittiğini çok daha yüksek bir hassasiyetle incelemesine olanak tanıyacak.

Bunun yanı sıra arka beyin, tıbbın bir diğer büyük alanı olan kilo kontrolüyle de doğrudan ilişkili. Arka beyin; semaglutid gibi zayıflama ilaçlarının hedeflediği sistemler arasında yer alan ve açlığı düzenleyen nöral devreleri bünyesinde barındırıyor.

Araştırmacılar şimdi omuriliğin gelişimsel olarak nereden geldiğini keşfetmeyi ve SMA ile ALS’nin arka beyin nöronlarını tam olarak nasıl tahrip ettiğini belirlemeyi hedefliyor.

Jokhai, “Artık bu yıkıcı hastalıkları daha iyi anlamak ve rejeneratif (yenileyici) tedaviler geliştirmek için bir modele sahibiz. Bu, beyin araştırmalarında son derece heyecan verici yeni bir sınır,” diyerek sözlerini tamamlıyor.