Bilim İsimleri Keşfetti: İnsan Beyni İki Ayrı Kaynaktan Gelişiyor

Stanford Üniversitesi önderliğinde yürütülen bir araştırma ekibi, insan ve diğer hayvanların beyinlerinin, embriyonun en erken evrelerinde paralel biçimde gelişmeye başlayan iki işbirlikçi sinir sisteminden oluştuğunu ortaya koydu. Gelişigüzel görünen bu yapı aslında farklı kökenli hücre gruplarından doğan iki bölgeden meydana geliyor; biri ön beyin ve orta beyni, diğeri arsa beyini (hindbrain) oluşturuyor. Araştırmacılar bulguyu fare embriyonlarının çok erken evredeki gelişimini inceleyerek keşfetti ve ardından insan pluripotent kök hücrelerinin de aynı yolları izlediğini doğruladı.

Bu çalışma, beyin bölgelerinin ayrı kökenli “progenitör” denilen hücre gruplarından ortaya çıktığını gösteriyor. İki farklı hücre tipi, birbirinden kesin çizgilerle ayrılan gelişim patikalarını takip ederek sonunda tek bir organ olan beyni tamamlıyor; ancak rolleri yer değiştiremiyor.

Beynin İkiye Ayrıldığı Keşfedildi

Araştırmacılar, fare beyinlerinin gastrulation olarak adlandırılan çok erken embriyonik evreden itibaren nasıl oluştuğunu analiz ederek ilk bulguya ulaştı. Ardından insan pluripotent kök hücrelerinin de aldıkları sinyallere bağlı olarak aynı patikaları izlediğini saptadı. Hücrelerin DNA‘sının paketlenme biçimi temelden farklı; tamamen ayrı kromatin “manzaraları” mevcut. Bu durum, laboratuvar ortamında arsa beyini hücrelerini yetiştirmeye yönelik deneylerin sık sık başarısız olmasının nedenini açıklayabilir: Araştırmacılar belki de ön beyin dokusuna mahkûm olan yanlış yapı taşlarını kullanıyor olabilir.

Bilimsel bir ilk olarak araştırmacılar, insan kök hücrelerini tam elektriksel aktivite ve bu hücrelere özgü proteinlerle arsa beyini motor nöronlarına yönlendirmeyi başardı. Ön ve orta beyni üreten progenitör hücreler Otx2 denilen bir gen kullanarak belirli bir protein üretirken, yakında arsa beyinine dönüşecek hücreler Gbx2 denilen bir geni ifade ediyor.

Kök hücre biyolojisinde insanlar her zaman son hücre tipini, yani nöronu yaratmaya odaklanır. Ancak embriyonik gelişimin en erken evrelerinden başlamak önemlidir. Bu erken döneme yaptığımız dikkatli bakış, beyin gelişimindeki bu temel ikiye ayrımı bulmamızı sağladı.

Gelişme Biyoloğu Rayyan Jokhai

Jokhai’nin vurguladığı gibi, erken evreye odaklanmak araştırmayı derinden etkiledi. Bu yaklaşımın tıp alanında da önemli yansımaları olacak; özellikle beyinsini (brainstem) hedef alan ve vücudun en temel işlevlerini etkileyen hastalıkları inceleyen çalışmalar hız kazanabilir.

Tevrim Tarihi İki Sinyale Dayanıyor

Bulgular tıbbi boyutunun ötesinde, hayvan beyinlerinin evrimsel tarihine dair birçok soruyu da akla getiriyor. Araştırmayı evlendiren gelişme biyoloğu Kyle Loh, evrimin var olan iki sinir sistemini alıp mekânsal olarak bir araya getirmiş olabileceğini söylüyor: Beynin tek bir organ olması muhtemelen daha verimli olurdu; ancak biz beyni iki parçadan kurmanın bu ilkel yoluna dayanıyoruz.

Jokhai ise bulguların kendisini şaşırttığını belirtiyor. “Beyn” kelimesinin tek kökenli, bütünüyle birleşik bir organ ima ettiğini düşündüğünü aktaran Jokhai, “Ancak 500 milyon yıl önce bile bu ayrı sinir sistemleri vardı ve bugün neredeyse tek bir şeymiş gibi çalışıyorlar; bu gerçekten çok güzel.” diyor.

Araştırmamız, evrimin var olan iki sinir sistemini alıp mekânsal olarak birbirine yaklaştırdığını gösteriyor. Beynin tek bir organ olması muhtemelen daha verimli olurdu; ancak biz beyni iki ayrı parçadan kurmanın bu ilkel yoluna dayanıyoruz.

Gelişme Biyoloğu Kyle Loh

Bu ifadelerin biraz ek bağlamı gerekiyor: Loh ve Jokhai, sinir sistemlerinin başından itibaren iki ayrı organ olduğu anlamına gelmiyor. Betimledikleri şey, modern hayvanların gastrulation evrinde nasıl geliştiğine dayanan bir evrimsel çıkarım niteliği taşıyor.

Araştırmacılar, bu bileşik beyin sisteminin (iki progenitör hücre tipinin tek bir organ oluşturmak için işbirliği yaptığı) modern fare, makak, tavuk, zebra balığı ve acorn worm (mangeldik solucanı) embriyonlarının gastrulation evresinde mevcut olduğunu saptadı. Bu hayvanların tümü yaşam evrim ağacında ortak bir ataya sahip; bilim insanları bu grupların o tek düğümden yaklaşık 550 milyon yıl önce ayrıştığını tahmin ediyor.

Araştırma, insan dahil haylan beyinlerinin yüzlerce milyon yıldır bu iki parçalı şablonu izlediğini öne sürüyor. Ancak şu ana kadar elde edilen kanıtlar, bu iki parçanın gerçekten bağımsız biçimde evrimleşipleşmediğini söyleyemiyor; bu konu gelecek araştırmalara bırakılıyor.

Araştırma, Nature Neuroscience dergisinde yayımlandı. İnsan pluripotent kök hücrelerinin anterior (aNE) veya posterior (pNE) sinir ektoderm benzeri hücrelere iki gün içinde farklılaştırıldığı; pNE’nin florosan ile işaretlendiği ve ardından renksiz aNE ile boyalı pNE’nin karıştırıldığı deneylerde, ko-kültürlerin ek iki gün boyunca ön beyin, orta beyin veya arsa beyini yönlendiren sinyallere maruz bırakıldıktan sonra immunostainginlandığı görülmektedir.