Beynimizi anlamak için bilim insanlarının, beynin bileşenlerini bilmeleri gerekir. Bu tema, sinirbilimde beynin farklı yapı taşlarını, hücrelerini tanımlamak için artan bir çalışmanın temelini oluşturur.
Farelerde bulunan 80 milyon nöron ve insanlardaki 86 milyar nöronla bu hassas, mikroskobik yapı taşlarını sıralamak; araştırmacılar için büyük başarı.
Nature Neuroscience dergisinde yayınlanan Allen Beyin Bilimi Enstitüsü’ndeki yeni çalışmada; hücrelerin iki önemli özelliğine dayanan fare nöron tiplerinin geniş bir profili açıklanmaktadır: Üç boyutlu şekiller ve elektriksel davranışlar…
Türünün yetişkin laboratuvar faresinden bugüne kadarki en büyük veri setini üreten çalışma; beynin “periyodik cetvelini” büyük miktarda beyin hücre tipini araştırması amacıyla keşfetme çabalarının bir parçasıdır. Araştırmacılar; sağlıklı bir memeli beynindeki hücre tiplerinin daha iyi anlaşılmasını, insan beyni bozukluklarının ve hastalıklarının altında yatan hücre tiplerinin ortaya çıkarılmasının temelini oluşturacağını umuyor.
Klasik periyodik tabloda; kimyasal elementler çeşitli şekillerde tanımlanabilir ve sıralanabilir: Kütleleri, kimyasal özellikleri, metaller veya ametaller… Sinirbilimciler benzer bir zorlukla karşı karşıya kalıyorlar. Belirli bir nöron; onu diğer nöron tiplerinden ayıran birçok farklı kişilik özelliği gösteriyor: Şekli, davranışı, açıldığı eşsiz gen dizisi, beyindeki konumu, etkileşime girdiği diğer hücre tipleri…
Bir hücre tipini nasıl tanımlarsınız?
Allen Beyin Bilimi Enstitüsü Yapılandırılmış Bilim İcra Direktörü Hongkui Zeng: “Tek bir hücre tipinin ne yaptığını anlamak için, araştırmacıların tüm bu özellikleri keşfetmeleri gerekiyor. Bir hücre tipi, birbirine benzer işlevsel özelliklere sahip bir grup hücredir, ancak tüm bu özelliklerin ne olduğunu anlamıyoruz. Sadece tek bir özelliğe bakmamalıyız, hücrelerin mümkün olduğunca çok özelliğine bakmalı ve birbirleriyle tutarlı olup olmadıklarını sormalıyız.”
Çalışmada, birkaç düzine farklı beyin hücresi türü bulmak için fare beyninin görsel işleme bölümünden nöronlar aracılığıyla ayrılan 2.000 nöronun elektriksel aktivitesi ve detaylı 3D şekli (morfoloji olarak da bilinir) dikkatle analiz edildi. Araştırmacılar ayrıca bu yeni hücre tipi kategorilerinin geçen yıl yayınlanan tamamlayıcı bir çalışmanın kategorileriyle aynı hizada olduğunu da gördü. Bu önceki çalışmada, Allen Enstitüsü araştırmacıları; yaklaşık 24.000 beyin hücresini farklı tiplere ayırmak için gen ifadesini ya da herhangi bir hücrede bulunan genlerin listesini kullandılar.
Neden şekil ve aktivite önemlidir?
Aktiviteleri ve şekilleri, araştırmacılara, tek hücrelerin beyindeki daha geniş sinir devreleri bağlamında ne yaptıkları hakkında da ipuçları verir. Darbeler, dikenler veya aksiyon potansiyelleri olarak adlandırılan elektrik sinyalleri, nöronların her biriyle iletişim kurma biçiminin neredeyse evrensel bir deyimidir. Bu tür dikenlerin farklı desenlerini göndermek ve almak için farklı nöronlar ayarlanmıştır.
Bu sinyalleri anlamak araştırmacıların bu nöronların bir devreden diğerine nasıl bağlanabileceğini yeniden inşa etmelerine yardımcı olur. Onların şekli de bu yol için ipucu oldu.
Allen Enstitüsü Hesaplamalı Sibirbilimci Gouwens: “Bir hücrenin şekli, diğer hücrelere nasıl bağlandığının bir proxy’sidir. Hücrelerin birbirine nasıl bağlandığını önemsiyoruz çünkü bilgiyi işlemek için devreleri böyle oluşturuyorlar.”
Topluluk için veriler
Araştırmacılar, halka açık bu verilerin (bunlar Allen Hücre Tipleri veritabanının bir parçası olan beyin hücre tiplerinin gen ekspresyonu hakkındaki verilerle birlikte) sağlık ve hastalıkta spesifik hücre tiplerine daha derin araştırmalar yapmasını umuyor. Araştırmacılar; beyindeki belirli bir hastalıkla ilgili gen ile ilgileniyorsa, örneğin, hangi genin hangi gen tipinin açıldığını veya ifade edildiğini görebilir ve daha sonra bu nöronların şeklini ve aktivitesini keşfederek, ilgili yeni hipotezler oluşturabilirler. Genin nasıl hareket edebileceği ve gen mutasyona uğramış veya kaybolmuşsa hastalıkta neyin yanlış gidebileceğini görebilirler.
Beyin Bilim Enstitüsü Nörobilimci Berg: “Gen işlev bozukluğunun bu hücre tipini nasıl değiştirebileceği ve özel etkilere neden olabileceği konusunda bir hipotez oluşturabilirler. Bu kapsama ulaşmak için çok fazla sayı gerekiyor, böylece insanlar verilere güvenebiliyor.”
Tarafsız bir yaklaşım
Bir nöronun morfolojisini incelemek için, araştırmacıların; ilk önce fare beynindeki diğer nöronların ve destekleyici hücrelerin karışık karmaşasının ortasında tek bir hücreyi tanımlamaları ve daha sonra bir hücreye bütünüyle bir dilim içinde lekelemeleri için özel bir boya olan prob içeren bir hücreye enjekte etmeleri gerekir. Ekip, bazı enstitülerin mikroskop altında parlak renklerde farkedilmelerini sağlayan genleri taşımak için Allen Enstitüsü’nde tasarlanan fareleri kullanarak araştırmacıların bireysel nöronları daha kolay seçmelerine izin verdi. Araştırmacılar; daha sonra, farklı elektriksel giriş türlerine verdikleri yanıtları inceleyerek, hücrelerin elektriksel aktivitesini okumak için aynı mikroskobik probları kullandılar.
Bu deneyler daha çok emek yoğun olduğu için, araştırma grupları; genellikle belirli bir soruya dayanarak seçilen tek seferde bir veya birkaç hücre türünü keşfeder. Bununla birlikte, Allen Enstitüsü ekibi sorunu aynı, deneysel koşullar altında ve beynin aynı bölgesinden hücreleri inceleyerek birbirleriyle daha kolay bir şekilde karşılaşabilmeleri için geniş, tarafsız bir biçimde ele almak istedi.
Gouwens: “Akılda tutulan hücre türlerinin bir listesini yapmak ve hücreleri bu kategorilere koymak yerine, kategorilerin verilerden çıkmasına izin veriyoruz. Oldukça geniş olmaya çalışıyoruz ve sonra verilerin biçimini görüyoruz.”
