Uluslararası bir bilim insanı ekibi, insan beyninin haritasını her zamankinden çok daha yüksek çözünürlükte çıkardı. 2017 yılında başlatılan 375 milyon dolarlık bir proje olan Beyin Atlası, daha önce bildirilenden çok daha büyük bir mertebede, 3.300’den fazla beyin hücresi türünü tanımladı. Araştırmacıların yeni keşfedilen hücrelerin ne yaptığına dair sadece belirsiz bir fikri var.
Sonuçlar Perşembe günü Science dergisinde ve diğer birçok dergide yayınlanan 21 makalede açıklandı.
Çalışmalardan beşine liderlik eden Seattle’daki Allen Beyin Bilimi Enstitüsü’nden sinir bilimci Ed Lein, sonuçların, araştırmacıların biyopsi yapılmış doku veya kadavradan alınan milyonlarca insan beyin hücresini incelemesine olanak tanıyan yeni teknolojiler sayesinde mümkün olduğunu söyledi.
“Bu gerçekten şu anda neler yapılabileceğini gösteriyor” dedi Dr. Lein. “İnsan sinir biliminde yepyeni bir çağ açıyor.”
Yine de dedi Dr. Lein, atlasın yalnızca ilk taslak olduğunu söyledi. Kendisi ve meslektaşları, insan beynini oluşturan tahmini 170 milyar hücrenin yalnızca küçük bir kısmını incelediklerini ve gelecekteki çalışmaların kesinlikle ek hücre türlerini ortaya çıkaracağını söyledi.
Biyologlar beynin farklı türdeki hücrelerden oluştuğunu ilk kez 19. yüzyılda fark ettiler. 1830’larda Çek bilim adamı Jan Purkinje, bazı beyin hücrelerinde oldukça yoğun dal patlamaları olduğunu keşfetti. Purkinje hücreleri, şimdiki adıyla Purkinje hücreleri, kas hareketlerimize ince ayar yapmak için gereklidir.
Daha sonraki nesiller, diğer hücre türlerini mikroskop altında görselleştirecek teknikler geliştirdi. Örneğin araştırmacılar retinada ışığı yakalayan silindirik “koni hücreleri” buldular. 2000’li yılların başında araştırmacılar yalnızca retinada 60’tan fazla nöron türü buldular. Beynin daha derin girintilerinde, incelenmesi çok daha zor olan kaç hücre tipinin gizlendiğini merak ettiler.
Ulusal Sağlık Enstitüleri’nin mali desteğiyle Dr. Lein ve meslektaşları, beyin hücrelerinin farklı genleri nasıl etkinleştirdiğini inceleyerek beynin haritasını çıkarmaya çalıştı. Beyinde en az 16.000 gen aktif olup, farklı hücre tiplerinde farklı kombinasyonlarda aktif hale gelmektedir.
Araştırmacılar, yakın zamanda ölenler ve beyin ameliyatı geçirenler de dahil olmak üzere çeşitli kaynaklardan beyin dokusu topladılar.
Taze beyin dokusunu inceleyen bilim insanları, elektriksel aktivitelerini dinlemek için tek tek hücrelerin yüzeyine cam tüpler bağladılar, yapılarını görmek için boya enjekte ettiler ve son olarak onları daha yakından incelemek için hücrelerin çekirdeklerini emdiler.
Araştırmacılar bu prosedürleri manuel olarak gerçekleştirmek yerine örnekler üzerinde verimli bir şekilde çalışan robotlar geliştirdiler. Tahminlere göre Dr. Robotlar şu ana kadar 10 milyondan fazla insan beyin hücresini inceledi.
Yeni tanımlanan hücrelerin bir kısmı beynin dış yüzeyindeki serebral korteks katmanlarında bulundu. Bu bölge, dili kullanmak ve geleceğe yönelik planlar yapmak gibi karmaşık zihinsel görevler için gereklidir.
Ancak yeni çalışmalar beyindeki çeşitliliğin çoğunun serebral korteksin dışında olduğunu gösteriyor. Projede keşfedilen hücre tiplerinin büyük bir kısmı, omuriliğe giden beyin sapı gibi beynin daha derin bölgelerinde bulunuyor.
Araştırmacılar bilgiyi işlemek için elektrik sinyallerini ve kimyasalları kullanan birçok yeni nöron türü, hücre buldu. Ancak nöronlar beyindeki hücrelerin yalnızca yarısını oluşturur. Diğer yarısı çok daha gizemli.
Örneğin astrositler, düzgün çalışmaya devam edebilmeleri için nöronları besliyor gibi görünüyor. Mikroglia, yabancı istilacılara saldıran ve sinyallerini iyileştirmek için bazı nöron dallarını budayan bağışıklık hücreleri olarak görev yapar. Araştırmacılar ayrıca bu hücrelerin birçok yeni türünü de buldular.
Araştırmacılar şempanzelerin ve diğer türlerin beyinlerini incelemek için aynı yöntemlerden bazılarını kullandılar. Farklı türler arasındaki sonuçları karşılaştıran araştırmacılar, insan beyninin evrim süreci boyunca diğer primatlardan nasıl farklılaştığını inceledi.
Önceki çalışmalar, insan beyninin, diğer şeylerin yanı sıra, yeni hücre türlerinin gelişimi nedeniyle benzersiz olabileceğini öne sürmüştü. Ancak araştırmacılar, insan beynindeki tüm hücre tiplerinin, yaşayan en yakın akrabalarımız olan şempanze ve gorillerinkilerle eşleştiğini keşfettiklerinde şaşırdılar.
Araştırmacılar bu hücrelerde insanlarda diğer maymunlara göre daha fazla veya daha az aktif olan birkaç yüz gen keşfettiler. Bu genlerin çoğu, genleri açıp kapatan genetik anahtarların yakınında bulunur.
Dr. Bakken ve meslektaşları, insanları karakterize eden bir dizi genin, sinaps adı verilen nöronlar arasında bağlantıların kurulmasında rol oynadığını buldu.
Allen Beyin Enstitüsü’nde primat çalışmaları üzerinde çalışan bir sinir bilimci olan Trygve Bakken, “Bizi şempanzelerden ayıran şey aslında bağlantılar, yani bu hücrelerin birbirleriyle nasıl iletişim kurduğudur” dedi.
Portekiz’deki Champalimaud Bilinmeyenler Merkezi’nde sinir bilimci olan ve beyin atlası projesinde yer almayan Megan Carey, araştırmanın araştırmacıların gelecekteki çalışmalarda kullanması için şaşırtıcı miktarda yeni veri sağladığını söyledi. Bunun muazzam bir başarı öyküsü olduğunu düşünüyorum” dedi.
Ancak insan beyninin nasıl çalıştığını anlamanın her bir parçayı en ince ayrıntısına kadar kataloglamaktan ibaret olmadığı konusunda da uyardı. Sinir bilimcilerin de bir adım geri atıp beyne kendi kendini düzenleyen bir sistem olarak bakmaları gerekiyor.
“Bu veri setinde bu hedefe yaklaşmamıza yardımcı olacak cevaplar olacak” dedi Dr. Carey. “Henüz ne olduklarını bilmiyoruz.”
Araştırmada yer almayan Kuzey Carolina Üniversitesi’nden sinir bilimci Adam Hantman, atlasın beyin gelişimini izlemek gibi bazı araştırma türleri için büyük bir yardımcı olacağını söyledi. Ancak hücre tiplerinden oluşan bir kataloğun karmaşık davranışları aydınlatıp aydınlatamayacağını sorguladı.
“Orkestranın ne yaptığını bilmek istiyoruz” dedi. “Bir kemancının o anda ne yaptığı gerçekten umurumuzda değil.”
Sonuçlar Perşembe günü Science dergisinde ve diğer birçok dergide yayınlanan 21 makalede açıklandı.
Çalışmalardan beşine liderlik eden Seattle’daki Allen Beyin Bilimi Enstitüsü’nden sinir bilimci Ed Lein, sonuçların, araştırmacıların biyopsi yapılmış doku veya kadavradan alınan milyonlarca insan beyin hücresini incelemesine olanak tanıyan yeni teknolojiler sayesinde mümkün olduğunu söyledi.
“Bu gerçekten şu anda neler yapılabileceğini gösteriyor” dedi Dr. Lein. “İnsan sinir biliminde yepyeni bir çağ açıyor.”
Yine de dedi Dr. Lein, atlasın yalnızca ilk taslak olduğunu söyledi. Kendisi ve meslektaşları, insan beynini oluşturan tahmini 170 milyar hücrenin yalnızca küçük bir kısmını incelediklerini ve gelecekteki çalışmaların kesinlikle ek hücre türlerini ortaya çıkaracağını söyledi.
Biyologlar beynin farklı türdeki hücrelerden oluştuğunu ilk kez 19. yüzyılda fark ettiler. 1830’larda Çek bilim adamı Jan Purkinje, bazı beyin hücrelerinde oldukça yoğun dal patlamaları olduğunu keşfetti. Purkinje hücreleri, şimdiki adıyla Purkinje hücreleri, kas hareketlerimize ince ayar yapmak için gereklidir.
Daha sonraki nesiller, diğer hücre türlerini mikroskop altında görselleştirecek teknikler geliştirdi. Örneğin araştırmacılar retinada ışığı yakalayan silindirik “koni hücreleri” buldular. 2000’li yılların başında araştırmacılar yalnızca retinada 60’tan fazla nöron türü buldular. Beynin daha derin girintilerinde, incelenmesi çok daha zor olan kaç hücre tipinin gizlendiğini merak ettiler.
Ulusal Sağlık Enstitüleri’nin mali desteğiyle Dr. Lein ve meslektaşları, beyin hücrelerinin farklı genleri nasıl etkinleştirdiğini inceleyerek beynin haritasını çıkarmaya çalıştı. Beyinde en az 16.000 gen aktif olup, farklı hücre tiplerinde farklı kombinasyonlarda aktif hale gelmektedir.
Araştırmacılar, yakın zamanda ölenler ve beyin ameliyatı geçirenler de dahil olmak üzere çeşitli kaynaklardan beyin dokusu topladılar.
Taze beyin dokusunu inceleyen bilim insanları, elektriksel aktivitelerini dinlemek için tek tek hücrelerin yüzeyine cam tüpler bağladılar, yapılarını görmek için boya enjekte ettiler ve son olarak onları daha yakından incelemek için hücrelerin çekirdeklerini emdiler.
Araştırmacılar bu prosedürleri manuel olarak gerçekleştirmek yerine örnekler üzerinde verimli bir şekilde çalışan robotlar geliştirdiler. Tahminlere göre Dr. Robotlar şu ana kadar 10 milyondan fazla insan beyin hücresini inceledi.
Yeni tanımlanan hücrelerin bir kısmı beynin dış yüzeyindeki serebral korteks katmanlarında bulundu. Bu bölge, dili kullanmak ve geleceğe yönelik planlar yapmak gibi karmaşık zihinsel görevler için gereklidir.
Ancak yeni çalışmalar beyindeki çeşitliliğin çoğunun serebral korteksin dışında olduğunu gösteriyor. Projede keşfedilen hücre tiplerinin büyük bir kısmı, omuriliğe giden beyin sapı gibi beynin daha derin bölgelerinde bulunuyor.
Araştırmacılar bilgiyi işlemek için elektrik sinyallerini ve kimyasalları kullanan birçok yeni nöron türü, hücre buldu. Ancak nöronlar beyindeki hücrelerin yalnızca yarısını oluşturur. Diğer yarısı çok daha gizemli.
Örneğin astrositler, düzgün çalışmaya devam edebilmeleri için nöronları besliyor gibi görünüyor. Mikroglia, yabancı istilacılara saldıran ve sinyallerini iyileştirmek için bazı nöron dallarını budayan bağışıklık hücreleri olarak görev yapar. Araştırmacılar ayrıca bu hücrelerin birçok yeni türünü de buldular.
Araştırmacılar şempanzelerin ve diğer türlerin beyinlerini incelemek için aynı yöntemlerden bazılarını kullandılar. Farklı türler arasındaki sonuçları karşılaştıran araştırmacılar, insan beyninin evrim süreci boyunca diğer primatlardan nasıl farklılaştığını inceledi.
Önceki çalışmalar, insan beyninin, diğer şeylerin yanı sıra, yeni hücre türlerinin gelişimi nedeniyle benzersiz olabileceğini öne sürmüştü. Ancak araştırmacılar, insan beynindeki tüm hücre tiplerinin, yaşayan en yakın akrabalarımız olan şempanze ve gorillerinkilerle eşleştiğini keşfettiklerinde şaşırdılar.
Araştırmacılar bu hücrelerde insanlarda diğer maymunlara göre daha fazla veya daha az aktif olan birkaç yüz gen keşfettiler. Bu genlerin çoğu, genleri açıp kapatan genetik anahtarların yakınında bulunur.
Dr. Bakken ve meslektaşları, insanları karakterize eden bir dizi genin, sinaps adı verilen nöronlar arasında bağlantıların kurulmasında rol oynadığını buldu.
Allen Beyin Enstitüsü’nde primat çalışmaları üzerinde çalışan bir sinir bilimci olan Trygve Bakken, “Bizi şempanzelerden ayıran şey aslında bağlantılar, yani bu hücrelerin birbirleriyle nasıl iletişim kurduğudur” dedi.
Portekiz’deki Champalimaud Bilinmeyenler Merkezi’nde sinir bilimci olan ve beyin atlası projesinde yer almayan Megan Carey, araştırmanın araştırmacıların gelecekteki çalışmalarda kullanması için şaşırtıcı miktarda yeni veri sağladığını söyledi. Bunun muazzam bir başarı öyküsü olduğunu düşünüyorum” dedi.
Ancak insan beyninin nasıl çalıştığını anlamanın her bir parçayı en ince ayrıntısına kadar kataloglamaktan ibaret olmadığı konusunda da uyardı. Sinir bilimcilerin de bir adım geri atıp beyne kendi kendini düzenleyen bir sistem olarak bakmaları gerekiyor.
“Bu veri setinde bu hedefe yaklaşmamıza yardımcı olacak cevaplar olacak” dedi Dr. Carey. “Henüz ne olduklarını bilmiyoruz.”
Araştırmada yer almayan Kuzey Carolina Üniversitesi’nden sinir bilimci Adam Hantman, atlasın beyin gelişimini izlemek gibi bazı araştırma türleri için büyük bir yardımcı olacağını söyledi. Ancak hücre tiplerinden oluşan bir kataloğun karmaşık davranışları aydınlatıp aydınlatamayacağını sorguladı.
“Orkestranın ne yaptığını bilmek istiyoruz” dedi. “Bir kemancının o anda ne yaptığı gerçekten umurumuzda değil.”