Neden maymunlardan, sıçanlardan ve farelerden insan beyni hakkında bilgi edinemiyorsunuz?

Sinirbilim araştırma harcamalarının ve yayınlanmış çıktıların çoğu, sıçanlar, fareler ve maymunlar üzerinde yapılan çalışmalarla ilgilidir. Bunların sonuçları genellikle türler arasında beyin fonksiyonunun evrensel olarak temsilcisi olarak sunulur. Elbette tüm memeli beyinleri bazı yapısal ve işlevsel benzerlikler taşır ve bu sistemler hücresel süreçlerin doğasına dair içgörüler sağlar. Ayrıca, en azından morfolojik olarak, nöronlar benzer görünüyor. Bütün bunlar, teknikleri denemede ve genel kavramları anlamada son derece yararlı olabilir. Ancak bu canlılardan belirli bulguları insanlara tahmin etmek yanıltıcı olabilir.

İnsan beyninin diğer türlere göre daha benzersiz yetenekler ürettiği herkes için aşikardır. Soru, bu farklılıkların hangi düzeyde ortaya çıktığı ve ekstrapolasyonun sınırlarını nerede çizmemiz gerektiğidir.

Beyin fonksiyonunu anlamak için hücresel düzeyde yaklaşımlar

Hücresel düzeyde beyin fonksiyonunun üç ana çalışma alanı vardır – hücrenin bağlantılar oluşturmak ve aktivitesini modüle etmek için oluşturduğu ve kullandığı moleküler araç setini ve bileşenleri belirleyen gen ekspresyonu, nöronların nasıl bağlandığına ve uyaranlara yanıt olarak bağlantılarının doğasını nasıl değiştirdiğine bakan sinaptik plastisite, ve ani artış aktivitesi– bir uyarana yanıt olarak veya davranışlarla bağlantılı olarak ürettiği zamansal kalıp türleri.

Sinaptik plastisiteyi ve nöronların ani yükselme modellerini incelemek son derece invazivdir ve dokuya doğrudan erişim gerektirir. Deneylerin çoğu, farelerin ve sıçanların beyinlerinden doku çıkarılarak ve bir tabakta büyütülerek yapılır. Bunlara in vitro deneyler denir, yani bir tabakta yapılır ve hayvanın kurban edilmesini gerektirir. Başka bir yaklaşım, elektrotları yerleştirmek veya hücre görüntülemeyi sağlayan moleküller (örneğin, floresan olanlar) üreten genetik materyali iletmek için farelerin, sıçanların veya maymunların kafataslarında delikler açmayı veya delmeyi içerir. Bu durumda, hücrelerin ve dokuların aktivitesini in vivo olarak veya hayvan uyanıkken ve davranırken inceleyebilirsiniz. Bununla birlikte, ne sinaptik aktivite ne de nöronal ani yükselme, başka bir amaç için beyin ameliyatı geçirmedikçe ve doğal olarak risklerle birlikte gelen bazı deneysel araştırmalara rıza göstermedikçe insanlarda kolayca incelenemez. Öte yandan gen ekspresyonu, ölüm sonrası doku örnekleri kullanılarak türler arasında daha kolay incelenir ve sinaptik plastisite ve sivri ateşleme ile yakından bağlantılıdır.

Diğer türlere göre insan beynindeki Gen İfadesi

İnsan beyni, diğer türlerden çok daha geniş bir gen repertuarını ifade eder. Bir çalışma, insan beyninde şempanze beyinlerine göre farklı şekilde ifade edilen 2014 kadar gen göstermektedir (Khaitovich ve diğerleri). Ayrıca, bu genler, nöronal farklılaşma ve gelişimden sinaptik iletim ve sinyal iletimine ve hatta metabolik süreçlere kadar bilinen tüm hücresel süreçlere yayılmıştır. Bu, hücrelerin nasıl çalıştıkları konusunda oldukça küresel farklılıklara sahip olduklarının güçlü bir göstergesidir. Ayrıca, Allen Enstitüsü’nün fare ve insanlar arasındaki gen ekspresyonundaki farklılıklara ilişkin sonuçları da dikkate değerdir. İnsanlarda Alzheimer gibi çeşitli hastalıklarla ilişkili gen ekspresyonu kalıplarının farede gözlemlenmediğini buldular, bu da fare beyinleri için işe yarayan ilaçların insanlarda genellikle işe yaramamasının bir nedeninin bu olduğunu düşündürdü.

İlginç bir şekilde, Khaitovich ve arkadaşları (Svante Paabo’nun grubu), herhangi bir bireydeki beyin bölgeleri arasındaki farklılıkların, bireyler arasındaki farklılıklardan çok daha az olduğunu belirterek, insanlar arasında oldukça fazla çeşitlilik buldular. Daha yeni bir başka çalışma (bununla ilgili daha fazla bilgiyi buradan okuyun), bireysel nöronların aslında genlerini düzenlediğini ve bu nedenle bir hücreden diğerine çok farklı ekspresyon modellerine sahip olabileceğini gösteriyor. Son olarak, davranış veya çevresel bağlam, gen ekspresyon modellerini değiştirebilir (daha fazlasını buradan okuyun). Bu birçok hücresel çeşitlilik kaynağı ve diğer türlere göre insanlar arasında genel olarak daha fazla deneyim çeşitliliği, başka bir karmaşıklık katmanı ekler.

Bütün bunlar, beynin insanlarda diğer türlere göre temelde farklı ve çılgınca çeşitli olduğu anlamına gelir. Fareler ve maymunlar için işe yarayan şeyin insanlar için işe yaraması muhtemel değildir ve bir kişi için işe yarayan bir başkası için bile işe yaramayabilir.

Glia’nın hikayesi

Bununla birlikte, ortaya çıkabilecek büyük hikaye, en büyük farklılıkların, hızlı elektrik sinyallemesinde yer alan hücreler olan nöronlarda değil, glia’da olmasıdır. Glial hücreler, insan beynindeki nöronlardan neredeyse 1,4 kat daha fazladır, ancak uzun süredir sadece bir temizlik rolü oynadığı düşünülüyordu. Bununla birlikte, Nedergaard laboratuvarında yapılan bir araştırma , insan astrositlerinin (bir tür glial hücre) çaplarının 2,6 kat daha büyük olduğunu, insanlarda 10 kat daha fazla süreci genişlettiğini ve farelere göre çok daha karmaşık alt tiplere sahip olduğunu göstermiştir. Ayrıca Ca2+ dalgalarını farelerdekilerden 4 kat daha hızlı yayarlar. Ben Barres’in laboratuvarında yapılan çalışmalar, glia’nın nöronların davranışını modüle etmede önceden düşünülenden daha önemli ve aktif bir rol oynadığını gösteriyor. Bununla birlikte, bu bulguların en ilginç olanı, insan astrositlerinin farelere göre glutamata çok daha güçlü tepki vermesidir (Zhang ve diğerleri). Glutamat, beyindeki en yaygın nöronal sinyal molekülüdür ve bu, glia’nın insan beyninin elektriksel dinamiklerini şekillendirmede daha büyük bir rol oynayabileceğini düşündürür.

İnsan ve fare gliası arasındaki bu farklılıklar göz önüne alındığında, gen ekspresyonunun fare ve insanlar arasında en çok farklılık gösterdiği yerin nöronlarda değil gliada olması belki de şaşırtıcı değildir. Allen Enstitüsü’nden Hawrylycz ve arkadaşları tarafından yapılan bir araştırma , nöronal olmayan gen ekspresyonu arasında daha büyük farklılıklar olduğunu gösteriyor, Zhang ve arkadaşları (Barres laboratuvarı), fare ve insanlarda astrositlerin gen ekspresyonunda büyük farklılıklar gösterdi ve Pavlidis laboratuvarı , nöronlar ve oligodendrositler (başka bir glial hücre türü) arasındaki gen ekspresyon modellerinin aslında değiş tokuş edildiğini gözlemledi.

Bu sonuçlar, insan beyin hücrelerinin tamamen farklı davranabileceğini göstermektedir. Bir atom türünü diğerinin özelliklerini çıkarmak için incelemenin en iyi yaklaşım olmayabileceği ve benzetme yoluyla, bir tür hayvandan nöronları inceleyerek diğeri hakkında bir şeyler çıkarımda bulunmayabileceği analojisi hayal edilebilir. Bu, aşağıdan yukarıya bir yaklaşımı olağanüstü derecede karmaşık hale getirir ve diğer türlerden elde edilen fizyolojinin çoğu sonucunun insanlarla ilgisi konusunda muazzam bir şüphe uyandırır.

Buradan nereye gidiyoruz?

Hayvan araştırmalarının çoğunun kökleri, bir sistemi anlamak için kişinin öğelerinin işlevini ve davranışını bilmesi gerektiğini öne süren indirgemeci bir çerçeveye dayanmaktadır. Daha sonra sistemin genel davranışı çıkarılabilir. Eğer böyle bir çerçeveyi kabul edecek olsaydık, hayvanlar ve insanlar arasındaki farklar hakkında bildiklerimiz göz önüne alındığında, sadece bir insandaki bir nöronu değil, her insanda potansiyel olarak genetik olarak benzersiz olan milyarlarca nöronu ve gliayı anlamak gibi devasa bir görevi üstlenmemiz gerekirdi. Görev teknik olarak devasa.

Ve elbette, aşağıdan yukarıya bir yaklaşımın insan beynini anlamamızda başarmak istediğimiz şey için doğru yol olup olmadığı sorusu var. Bir malzemenin doğasını ve kullanışlılığını tanımlayan özelliklerini anlamak istediğimizde önemli olanın renk ve sertlik gibi makro özellikleri olduğunu düşünün. Bunları, her bir atomun elektron dönüşlerinin ve bağ enerjilerinin ölçümü yoluyla tahmin etmeye çalışmıyoruz (ki bu bazen işe yarayabilir, ancak hem aşırı derecede pahalı hem de teknik olarak zorlayıcı olabilir), bunun yerine çok daha kolay ve sonunda pratik olarak daha bilgilendirici olan farklı sistem düzeyinde ölçüm araçları arıyoruz. Temel olarak bu, neyi başarmaya çalıştığımıza ve bilimin insanlığın insan beynini anlamasına ve bakımına nasıl katkıda bulunmasını istediğimize bağlıdır.