Yüzyıllardır bilim insanları beyini tek ve birleşik bir organ olarak düşündü. Ancak Stanford Medicine öncülüğünde yürütülen yeni araştırma, beyin dediğimiz şeyin yüz milyonlarca yıl boyunca bağımsız olarak evrimleşmiş iki ayrı organ olduğunu ortaya koyuyor. Bu keşif, beyin gelişimine dair hâkim modeli altüst ediyor.

Onlarca yıldır araştırmacılar, gelişimin erken aşamalarında tüm beyni oluşturan tek bir öncül hücre bulunduğu teorisini benimsemişti. Bu model, beynin tüm bölümlerinin ortak bir gelişimsel kökene sahip olduğunu öne sürüyordu. Yeni araştırma bulgusu, insan beyninin ustaca bir araya getirilmiş iki eski sinir sisteminden oluştuğunu gösteriyor; kalbimizin atışını, nefes almamızı ve diğer işlevleri düzenleyen daha ilkel bir parça ile bizi şiire, matematiğe ve kendi kökenlerimizi merak etmeye muktedir kılan diğer bir parça.

Bu keşif, bilim insanlarının laboratuvarda belirli beyin hücresi türlerini büyütmekte neden onlarca yıldır zorlandığını açıklamaya yardımcı olabilir ve omurilik kas atrofisi (SMA olarak da bilinir) ve amyotrofik lateral skleroz (ALS veya Lou Gehrig hastalığı olarak da bilinir) gibi beyin sapını etkileyen yıkıcı hastalıkları incelemek için yeni yollar açıyor.

Gelişimsel biyoloji doçenti PhD Kyle Loh, "Beynin ön kısmının, beynin arka kısmından tamamen farklı bir öncül hücreden kaynaklandığını ilk kez gösterdik" dedi. Loh, "Keşifimiz, artık laboratuvar tabakta beynin arka kısmından, yani artbeyinden nöronlar büyütebileceğimiz ve işlevlerini inceleyebileceğimiz anlamına geliyor" diye ekledi.

Bulgular 18 Eylül'de Nature Neuroscience dergisinde yayımlandı. Loh, kıdemli yazardır. Araştırmanın eş başyazarları ise yüksek lisans öğrencileri Carolyn Dundes ve Rayyan Jokhai'dir.

Yetişkin beyin üç ana bölgeye sahiptir: ön beyin, orta beyin ve artbeyin. Ön beyin üst düzey düşünceyi (dil, bilinç ve soyut akıl yürütme) yönetir. Buna karşılık, kafatasının arkasında yer alan ve genellikle beyin sapı olarak adlandırılan artbeyin, bizi hayatta tutan temel ve otomatik işlevleri kontrol eder: nefes alma, uyuma, kalp atışını ve açlık dürtülerini düzenleme. Artbeyin nöronları ayrıca konuşmayı ve yutmada etkili olan yüz, dil ve boğaz kaslarını da kontrol eder.

Artbeyinin kritik önemine rağmen, bilim insanları laboratuvarda insan artbeyin nöronları üretmek için onlarca yıldır mücadele etti. Bu boşluk, omurilik kas atrofisi ve amyotrofik lateral skleroz dahil olmak üzere beyin sapını etkileyen yıkıcı hastalıklara yönelik araştırmaları engellemiştir.

SMA, 1 yaşın altındaki çocuklarda önde gelen genetik ölüm nedenidir. Genellikle 40 ila 70 yaşları arasında teşhis edilen ALS ise hem ön beyini hem de artbeyini etkiler. Her iki bozuklukta da belirli artbeyin nöronları kademeli olarak işlevini yitirir ve hasta yutma yeteneğini kaybeder; bu da yemek veya sıvı akciğerlere solunduğunda zatürreye neden olabilir; sonuç olarak hastalar nefes alma yeteneğini kaybeder.

Araştırmacıların çığır açan keşfi, vücudun ilk kez şekil aldığı gastrulasyon adı verilen bir aşamada, embriyonik gelişimin en erken anlarını incelemekten geldi. Jokhai ve Dundes, artbeyinin, ön beyin ve orta beyini oluşturan yoldan ayrılmak yerine, bu yola paralel olarak çalışan ayrı bir gelişimsel yol izlediğini keşfetti.

Araştırmacılar bunu gelişen fare embriyolarını inceleyerek öğrendiler. İki farklı beyin öncül hücresi belirlediler. Otx2 adı verilen bir geni ifade eden biri, ön beyin ve orta beyin olmayı hedefler. Gbx2 adı verilen bir geni ifade eden diğeri ise artbeyini oluşturmaya adanmıştır. Bu iki hücre popülasyonunun asla örtüşmediğini; gelişimin en erken aşamalarından itibaren birbirini dışladığını gösterdiler.

Ekip daha sonra bu hücrelerdeki DNA paketlemesini veya kromatini inceledi. Kromatin, hücrelerin hangi genlere kolayca erişilebileceğini ve hangi genlerin ulaşılamayacak şekilde paketlendiğini belirlemesinin bir yoludur. Buldukları şey çarpıcıydı: Anterior nöral ektoderm (gelecekteki ön beyin ve orta beyin) ve posterior nöral ektoderm (gelecekteki artbeyin) temelde farklı kromatin konfigürasyonlarına sahiptir.

Bu farklılıklar, her bir öncül hücreyi, asla kesişmeyen paralel yollardaki gezginler gibi kendi kaderine kilitledi. Jokhai, "Artbeyin nöronları üretmeye yönelik önceki girişimler muhtemelen ön beyin ve orta beyin öncüllerini artbeyin hücrelerine dönüştürmeye çalıştı, çalışmamız bunun mümkün olmadığını gösteriyor" dedi.

Bu vahiy, alandaki onlarca yıllık hayal kırıklığını açıkladı — bilim insanları bir tür öncül hücreyi, temelde olmayı başaramayacağı başka bir türe dönüştürmeye çalışıyorlardı. Jokhai, "Kök hücre biyolojisinde insanlar her zaman nöron gibi son hücre tipini yaratmaya odaklanmıştır" dedi ve ekledi: "Ancak embriyonik gelişimin en erken aşamalarından başlamak önemlidir. O erken zaman noktasına gösterdiğimiz dikkat, beyin gelişimindeki bu temel bölünmeyi bulmamızı sağladı."

Bu bilgiyle silahlanan araştırmacılar, insan pluripotent kök hücrelerini (insan vücudundaki herhangi bir hücreyi oluşturabilen bir hücre türü) laboratuvarda işlevsel artbeyin motor nöronlarına dönüştürmeyi ilk kez başardılar. Bu laboratuvar ortamında yetiştirilen nöronlar, otantik artbeyin hücrelerinin tüm ayırt edici özelliklerini sergiledi: Aksiyon potansiyeli adı verilen elektriksel aktivite dalgaları sergilediler ve yüz ve yutma kaslarını kontrol eden artbeyin segmentlerini tanımlayan proteinler ürettiler.

Son olarak araştırmacılar 550 milyon yıllık evrimsel zamana baktılar. Aynı iki kökenli beyin desenini tavuklarda; zebra balıklarında ve dikkat çekici bir şekilde, insanlarla uzak bir ortak atayı paylaşan okyanus tabanında yaşayan küçük yaratıklar olan meşe solucanlarında buldular. İnsanlardan yaklaşık 600 ila 700 milyon yıl önce ayrılan denizanaları, vücutlarının farklı uçlarında iki sinir sistemine sahiptir.

Loh, "Araştırmamız, evrimin mevcut iki sinir sistemini alıp uzaysal olarak birbirine ittiğini öne sürüyor" dedi. Loh, "Beynin tek bir organ olması muhtemelen daha verimli olurdu, ancak beyni iki ayrı parça olarak yapmak için bu ilkel yönteme güveniyoruz" diye ekledi.

Jokhai, "Bulgularımız beni şaşırttı çünkü 'beyin' kelimesi muhtemelen tek bir kökene sahip bitişik bir organ anlamına geliyor. Ancak 500 milyon yıl önce bile, şimdi neredeyse tek bir organ olarak çalışan bu ayrı sinir sistemleri vardı, ki bu çok harika" dedi.

Araştırmanın ayrıca SMA, ALS ve beyin sapını etkileyen diğer durumlar için tedavileri araştırma açısından da sonuçları var. Şimdiye kadar, bilim insanları yaşayan hastalardan beyin sapı dokusu alamadıkları için bu hastalıkları incelemek neredeyse imkansızdı. Bu nöronları bir kapta büyütebilme yeteneği, neyin yanlış gittiğini anlamak için yeni olasılıklar açıyor.

Obezite tedavisiyle bile beklenmeyen bir bağlantı var: Artbeyin, açlığı düzenleyen devreleri içerir — semaglutid gibi kilo verme ilaçlarının tam olarak nasıl çalıştığı budur. Araştırmacılar çalışmalarını omuriliğin gelişimsel kökenlerini belirlemek ve SMA ile ALS'nin artbeyin nöronlarının işlevini tam olarak nasıl tehlikeye attığını öğrenmek için genişletmek istiyor.

Jokhai, "Artık bu yıkıcı hastalıkları daha iyi anlamak ve bunlar için yenileyici tedavilere doğru çalışmak için bir modelimiz var" dedi. Jokhai, "Bu, beyin araştırmalarında çok heyecan verici yeni bir sınır" ifadesini kullandı. California Teknoloji Enstitüsü ve Kaliforniya Üniversitesi, San Francisco'dan araştırmacılar çalışmaya katkıda bulundu.