Bilim insanları, beyin bölgesinin en kapsamlı haritasını oluşturdu

Uluslararası bir konsorsiyum, nörolojik ve psikiyatrik bozukluklara dair kritik ipuçları barındırabilecek bir beyin yapısı olan bazal ganglionların, bugüne dek hazırlanmış en ayrıntılı hücresel atlasını sunuyor.

Bu makaleyi okuyabiliyorsanız, bunun nedeni bazal ganglionlarınızın size bu imkânı tanımasıdır. İnsan beyninin derinliklerinde yer alan ve toplamda iki üzüm tanesinden daha büyük olmayan bu küçük yapılar; istemli hareket, karar verme, alışkanlık edinme ve duygular için hayati öneme sahiptir. 

Bu kompakt kontrol merkezi; Parkinson hastalığı, Alzheimer hastalığı, otizm, şizofreni ve bağımlılık gibi çok çeşitli nörolojik ve psikiyatrik bozukluklarla da ilişkilidir.

Burası, insan beynini daha önce hiç olmadığı kadar ayrıntılı bir şekilde haritalamaya başlamak için ideal bir noktadır. Dokuz ülkeden bilim insanlarının oluşturduğu geniş bir uluslararası konsorsiyum, Perşembe günü yayımlanan araştırmalarıyla tam da bunu gerçekleştirdi: İnsan bazal ganglionlarının hücre hücre oluşturulmuş ilk atlasını hazırladılar. 

Bu çalışmaya; makaklar, marmosetler ve fareler olmak üzere diğer üç memeli türüne ait karşılaştırılabilir haritalar da eşlik ediyor. Beynin bu bölgesine dair türler arası şimdiye kadar hazırlanmış en kapsamlı harita olma özelliğini taşıyan bu çalışma; hem normal beyin işlevlerine hem de beyni etkileyen pek çok bozukluğa ışık tutmayı amaçlıyor.

Sinirbilimin en büyük hedeflerinden biri, her bir bozuklukta beynin hangi bölgelerindeki hangi hücrelerin rol oynadığını tespit ederek ruhsal hastalıkları daha iyi anlamaktır. 

Bazal ganglionlardaki hücre tiplerini bugüne dek en geniş kapsamlı şekilde listeleyen bu yeni atlas; 85 milyardan fazla nöronu ve bunlar arasındaki trilyonlarca bağlantıyı barındıran insan beynindeki tüm hücre tiplerini kapsayacak gelecekteki bir haritaya doğru atılmış önemli bir adımdır.

Harvard Tıp Fakültesi’nde psikiyatri ve nörobiyoloji alanında doçent olan ve yeni haritanın ortak yazarlarından Evan Macosko, “Şizofreni veya bipolar bozukluk tanısı almak, yaşam boyu süren yıkıcı bir mahkûmiyet gibidir; nörodejeneratif hastalıklara sahip bireyler de büyük acılar çeker ve ne yazık ki bu hastalıklar nedeniyle erken yaşta hayatlarını kaybederler,” diyor ve ekliyor: “Beynin bu bölgesi, her iki alandaki beyin hastalıkları için temel merkez niteliğindedir.”

Araştırmacılar; insanlardan (21 milyon), yengeç yiyen makaklardan (3 milyon) ve marmosetlerden (1,5 milyon) elde edilen toplam 25,5 milyon hücreyi inceleyerek profillerini çıkardılar. Elde edilen bulgular, Perşembe günü Cell dergi grubunda yer alan yayınlarda, toplam 26 makaleden oluşan bir derleme olarak yayımlandı. 

Yeni atlas, insan beyin kabuğuna dair önceki haritaları ve tüm insan beynini kapsayan daha eski bir taslak atlası temel alıyor. 

Bu çalışmanın en önemli yeniliği; sadece her bir hücrede hangi genlerin aktif olduğunu incelemekle kalmayıp, aynı zamanda bu genleri düzenleyen epigenetik mekanizmaları, hücre morfolojisini, hücrelerin beyin içindeki kesin konumsal koordinatlarını ve elektriksel aktivitelerini de ele almasıdır.

Söz konusu atlas, 2014 yılında başlatılan ve bugüne kadar yaklaşık 750 milyon dolarlık fon desteği alan, ABD merkezli büyük bir araştırma programı olan "BRAIN Initiative"in (Beyin Girişimi) en güncel başarısıdır. Programın nihai hedefi, insan beynindeki her bir hücre tipini içeren kapsamlı bir katalog oluşturmaktır.

Projenin arkasındaki temel kuruluşlardan biri olan Allen Enstitüsü’nde yönetici başkan yardımcısı ve sinirbilim direktörü olarak görev yapan Hongkui Zeng, bir basın açıklamasında şunları ifade ediyor: "Beyinde gerçekte neler olup bittiğini anlamak için, hücre tiplerinin doğru bir listesine ve bunların her birindeki gen ifadesini incelemeye ihtiyacımız var." 

Yeni atlas, dokuz ülkeden ve 50 akademik kurumdan yüzlerce bilim insanının katkılarıyla hazırlandı.

Araştırmacılar ayrıca, şizofreni ve bipolar bozuklukla bağlantılı, daha önce bilinmeyen bir beyin hücresi türü keşfettiler. Çalışma, serotonin reseptörü HTR7'yi ifade eden ve şizofreni riskinin artmasıyla ilişkilendirilen nadir bir nöron alt tipinin önemine dikkat çekiyor. 

Bu bulgular, söz konusu bozukluğa dair genetik sinyallerin belirli hücrelere kadar takip edilebilmesini sağlıyor; bu da hastalığa yönelik araştırmaları geliştirebilir ve gelecekte daha hedefe yönelik tedavilerin önünü açabilir.

Bir başka çalışma ise Parkinson hastalığının tipik bir belirtisi olan titremeleri azaltan, mevcut bir gen tedavisinin yeni bir versiyonunu tanımlıyor. Hayvan modelleri üzerinde yapılan denemelerde bu yaklaşımın, günümüzde hastalarda kullanılan tedavilerden daha etkili olduğu ve daha az invaziv (daha az müdahaleci) olduğu görüldü. 

California Üniversitesi, San Francisco'dan araştırmacıların öncülük ettiği bir çalışma ise, bazal ganglionlardaki belirli hücre tiplerinde, otizmde rol oynayabilecek önemli genetik değişiklikler tespit etti. Bu bulgular, yeni tedavi yöntemlerinin geliştirilmesine ve bozukluğun daha derinlemesine anlaşılmasına olanak tanıyabilir.

Makalelerden bazıları, beynin yaşla birlikte nasıl değiştiğine ve bu değişimlerin organın yaşlanma sürecini ölçmek için nasıl kullanılabileceğine odaklanıyor. 

Broad Enstitüsü'ndeki bilim insanları, gen ifadesinde yaşa bağlı olarak gelişen ve farklı hücre tiplerini kendine has şekillerde etkileyen yaygın değişimler keşfettiler. Elde ettikleri bulgular, bir kişinin yaşını, çeşitli beyin hücresi türlerindeki gen ifade modellerine bakarak tahmin etmeyi mümkün kılıyor.

Bir başka çalışma ise, bazal ganglionların en büyük yapısı olan striatumdaki farklı hücre türlerinin oranlarının, bireyler arasında önemli ölçüde değişkenlik gösterdiğini ortaya koyuyor. 

Araştırmacılar, hayatını kaybetmiş yaklaşık 200 yetişkinden alınan striatum ve prefrontal korteks dokularındaki dört milyon hücre üzerinde tek çekirdekli RNA dizileme (single-nucleus RNA sequencing) analizi gerçekleştirdi. 

Hücre tipleri, aynı bireyin farklı beyin bölgelerinde oldukça tutarlı kalsa da, hücresel bileşim bireyler arasında belirgin farklılıklar gösterir.

Bu farklılıklar, özellikle astrositler ve mikroglia gibi nöron dışı hücrelerde daha belirgindir. Araştırmacılar ayrıca, incelenen tüm beyin bölgelerinde yaşa bağlı değişimler tespit ettiler. Örneğin, oligodendrosit öncül hücrelerinin sayısı 30 ile 80 yaşları arasında yaklaşık %40 oranında azalmaktadır.

New York'taki Columbia Üniversitesi'nden İspanyol nörobiyolog Rafael Yuste, BRAIN Girişimi'nin mimarlarından biridir. 

Yuste, proje kapsamında daha önce de başka beyin atlasları hazırlandığını, ancak bu atlasın "en kapsamlısı olduğunu ve arkasındaki konsorsiyumun öncekilere kıyasla daha geniş bir yapıya sahip bulunduğunu" belirtiyor.

Yuste, insan beynindeki her bir hücre tipini tanımlamanın önemini vurguluyor. 

Bu hedefi, "Santiago Ramón y Cajal'ın hayali" olarak nitelendiriyor; İspanyol bilim insanı Ramón y Cajal, beynin ve sinir sisteminin yapısını ortaya çıkararak bunların farklı nöron tiplerinden oluştuğunu kanıtlamış ve bu çalışmalarıyla 1906 Nobel Fizyoloji veya Tıp Ödülü'nü kazanmıştı. Onun öncü çalışmalarından bir kısmı, bazal ganglionların en büyük yapısı olan striatum üzerine odaklanmıştı.

Yuste, e-posta yoluyla yaptığı açıklamada, "Bazal ganglionlar, beynin karmaşık bir parçasıdır ve henüz tam olarak anlaşılamamış, son derece girift nöronal devrelere sahiptir," diyor. 

"Buna rağmen, davranışlarımız üzerinde hayati bir role sahiptirler; muhtemelen gerçekleştirmek istediğimiz eylemleri seçip diğerlerini baskılarlar ve davranışsal değişikliklere aracılık etmek üzere beynin diğer bölgelerine dopamin salgılarlar."

İspanya'daki Cádiz Üniversitesi'nden biyolog Ana Belén Muñoz Manchado, bazal ganglionların "nöroloji ve psikiyatri gibi genellikle ayrı alanlar olarak ele aldığımız disiplinlerin, aslında aynı devreye odaklandığının görüldüğü yapılardan biri" olduğunu açıklıyor. 

Muñoz Manchado, "Bu atlasın değeri sadece hücre envanterini sunmasında değil —ki bu da elbette önemlidir— aynı zamanda sağladığı altyapıda yatmaktadır," diye ekliyor.

Muñoz Manchado'ya göre, şimdiye dek her laboratuvar hücre tiplerini kendi yöntemine göre adlandırıyordu; bu durum ise farklı çalışmalar arasında karşılaştırma yapmayı son derece güçleştiriyordu. 

Yeni atlas ortak bir dil oluşturuyor: Aynı hücre tipi; insanlar, makaklar, marmosetler ve farelerde aynı şekilde adlandırılıyor. Ayrıca her bir hücre tipi hakkında çok katmanlı bilgiler sunarak, diğer laboratuvarların bu hücreleri tanımlamasını kolaylaştırıyor.

“İlk kez,” diyor ve ekliyor: “Sinir sistemiyle ilgili, on yıllardır yanıtlanamamış soruları cevaplayabilecek teknolojiye ve araçlara sahip olduğumuz bir noktadayız.”

El Pais