Kıvrım yapacak hücreler var ama kıvrım yok: marmoset beyninin bilmecesi

Bu, “hangi maymunun beyni kıvrımlı” merakının ötesinde bir soru. Beyin kabuğunun katlanması, nörobilimin onlarca yıldır tek bir hücre tipiyle açıklamaya çalıştığı bir olgu. Marmoset bu açıklamanın ayağını kaydırıyor: o hücre tipi onda da bol miktarda var, ama beyni yine pürüzsüz.

Girus, sulkus ve buruşturulmuş örtü

Beyin kabuğu — neokorteks — aslında ince bir tabaka: birkaç milimetre kalınlığında, katmanlı bir örtü. Kafatasının hacmi sınırlı olduğu için bu örtünün alanını büyütmenin pratik tek yolu onu buruşturmak. Ortaya çıkan tümseklere girus, aralarındaki yarıklara sulkus deniyor. Yüzeyi kıvrımlı beyinler için jirensefalik, düz kalanlar için lisensefalik terimleri kullanılıyor.

Kıvrım, hayvanın akrabalık ağacını izlemiyor. Kemirgenlerden farenin beyni düz; primat bile olmayan gelinciğinki (ferret) kıvrımlı. İnsanda ise yüzey neredeyse tamamen katlanmış durumda. Aynı memeli sınıfı içinde bu kadar oynak olan bir özelliğin arkasında ne var?

Üç büyük fikir var ve hiçbiri diğerini tamamen dışlamıyor:

• Mekanik burkulma. Dıştaki tabaka alttakinden hızlı büyürse yüzey kararsız hale gelir ve kıvrılır. Tuomas Tallinen ve arkadaşları 2016'da Nature Physics'te bunu jelden yapılmış bir beyin maketiyle gösterdi: çözücü içinde şişen yumuşak dış jel katmanı, gerçek beyne benzeyen oluklar çıkardı. Ne gen vardı ne kimya, yalnızca büyüme hızı farkı.
• Akson gerilimi. David Van Essen 1997'de Nature'da, birbirine sıkı bağlı kabuk bölgelerinin aksonlar üzerinden birbirini çektiğini, bu gerilimin örtüyü belirli yerlerden katladığını öne sürdü. Fikir hâlâ tartışmalı.
• Hücre iskelesi. Kıvrımın kaynağı, kabuğu inşa eden öncül hücrelerin sayısı, yerleşimi ve şekli olabilir. Yeni çalışma bu üçüncü kolda duruyor.

oRG: rayı bırakıp yelpaze açan hücre

Gelişen beyinde nöronlar rastgele yerleşmez, bir ray boyunca yukarı tırmanır. Rayı döşeyen hücrelere radyal glia deniyor. Klasik tipi olan apikal radyal glia (aRG), bir ucundan beynin iç boşluğuna (ventrikül) çakılıdır ve uzun bir lifi dış yüzeye kadar gider; hem nöron üretir hem de o nöronun tırmanacağı ipi tutar.

İkinci bir tip daha var ve asıl ilgi onda: bazal radyal glia (bRG), literatürde sık sık dış radyal glia (oRG) diye geçer. Bu hücre iç boşluktaki çıpasını bırakır, dışarıdaki katmana göç eder ve orada kendini çoğaltmayı sürdürür. Yapı şuna benziyor: aRG tek bir kuyunun ağzından yukarı gerilmiş bir halattır; bRG o halatı bırakıp yüzeyde kendi başına iskele kuran, dalları yana açılan bir işçi koludur. Dallar yana açıldıkça örtü de yana büyür, alttaki tabaka aynı hızı tutturamaz ve yüzey buruşur.

2010-2011 yıllarında bu hücrenin insan ve gelincik kabuğunda bol, farede neredeyse hiç bulunmaması hipotezi güçlendirdi. Sonra marmoset çıktı. 2012'de Cerebral Cortex'te yayımlanan bir çalışmada Iva Kelava, Wieland Huttner, Víctor Borrell ve arkadaşları, kabuğu pürüzsüz bir primat olan marmosetin cenin beyninde bRG'nin bol miktarda bulunduğunu gösterdi. Hücre vardı, kıvrım yoktu. On dört yıldır cevapsız duran soru buydu.

Organoidle kurulan saat

Heide'nin ekibi soruyu laboratuvarda büyütülen mini beyinlerle ele aldı. Beyin organoidi, kök hücrelerden yola çıkıp kendi kendine katmanlanan üç boyutlu bir doku parçası; gerçek bir beyin değil, ama gelişimin sırasını ve zamanlamasını taklit ediyor. Ekip üç bağımsız insan ve üç bağımsız marmoset uyarılmış kök hücre hattından organoid üretti, karşılaştırmaya rhesus makağını da kattı ve 30., 40. ve 50. günlerde kesit aldı.

Kritik adım takvimi hizalamaktı: 50 günlük marmoset organoidi, doğal gelişimde 90. gündeki cenin beyin dokusuna karşılık geliyordu. Bulgular sonra gerçek cenin dokusunda tekrarlanarak doğrulandı. Heide'nin DPZ duyurusundaki ifadesiyle çalışma “in vivo ve in vitro yöntemlerin avantajlarını birleştiriyor”; organoidler, primatlarda etik olarak mümkün olmayan büyüklükte örneklemle istatistik açısından sağlam sonuç almayı sağlıyor.

Aynı anda çekilmiş frenler

Doktora öğrencisi ve ortak ilk yazar Lidiia Tynianskaia, amaçlarını şöyle özetliyor: “Hücre düzeyinde hangi değişikliklerin marmoset beynini daha az büyütüp daha az kıvrım yapmasına yol açtığını anlamak istedik.” Diğer ortak ilk yazar César Mateo Bastidas Betancourt ise bulguyu tek cümleye indiriyor: “İncelemelerimiz, marmosetteki bazı öncül hücrelerin insandakilere göre belirgin biçimde daha yavaş bölündüğünü gösterdi.”

Ölçümler şöyle:

Tablodaki sayılar çalışmanın kendi ölçümlerine ait. On bir saatlik döngü farkı küçük görünebilir; ama üstel çoğalan bir hücre havuzunda haftalar boyunca işleyince üretilen nöron sayısında büyük fark yaratıyor. İkinci satır daha çarpıcı: marmoset öncüllerinin yarıdan azı ölçüm penceresinde DNA'sını kopyalıyordu, insanda bu oran beşte dörde yakındı.

Üçüncü fren biçimle ilgili. Marmosette bölünmekte olan bazal öncüllerin çoğu dışarı doğru tek bir uzantı veriyordu; çok dallı, karmaşık biçimler nadirdi. Ekip bunu, hücre biçiminin karmaşıklığıyla ilişkilendirilen PALMD geninin marmoset bRG'lerinde insandakine göre belirgin biçimde daha düşük düzeyde çalışmasıyla birlikte raporladı. Dördüncü olarak da hızlı çoğalma penceresi marmosette kısalıyor: fabrika hem yavaş çalışıyor, hem az kollu, hem de erken kapanıyor.

Asıl mesele: hücre var, kıvrım yok

Bulgunun ilginç yanı hangi frenin bulunduğu değil, hiçbirinin tek başına yetmemesi. Yazarların kendi ifadesiyle sonuçlar “tek bir baskın mekanizmayı değil, öncül hücre düzeyindeki özelliklerin bir bileşimini” işaret ediyor. Marmoset kabuğunda bRG oranı diğer primatlarınkiyle karşılaştırılabilir düzeyde — yani “kıvrım hücresi” sayısı eksik değil. Eksik olan, o hücrelerin ne kadar hızlı bölündüğü, kaç kola ayrıldığı ve bunu ne kadar süre yapabildiği.

Bu, alanda uzun süredir dolaşan sade denklemi bozuyor: çok oRG = kıvrımlı beyin doğru değil. Hücre tipinin varlığı bir imkân; kıvrım ise o imkânın zamanlama, hız ve geometriyle çarpılmasından çıkan sonuç. Aynı şey ters yönde de geçerli: ekip, marmoset dokusunda insana özgü ARHGAP11B geninin daha yüksek düzeyde çalışmasının bile yerleşik gelişim rotasını tamamen geçersizleştirmediğini not ediyor. Tek gen de tek hücre tipi kadar yetersiz.

Bir ayrıntı daha: marmosetin pürüzsüzlüğü ilkel bir durum değil, sonradan küçülme. Atasal primatların orta boy ve kısmen kıvrımlı beyinleri olduğu düşünülüyor; marmoset bu ölçekten aşağı inmiş bir tür. Yani çalışma bir “geri kalma” hikâyesini değil, evrimin bir ölçek küçültme işlemini nasıl yürüttüğünü anlatıyor.

Nerede duruyor, nereye kadar geçerli

Çalışmanın sınırlarını büyük ölçüde yazarlar kendileri yazmış:

• Karşılaştırma tek bir küçük maymun türü (Callithrix jacchus) ile insan ve rhesus üzerinden yapıldı. Pürüzsüz kabuklu diğer Yeni Dünya maymunlarında aynı frenlerin çalışıp çalışmadığı bilinmiyor.
• Organoidler, canlıda görülen bRG bolluğunu tam olarak yeniden üretemiyor; bu yüzden kritik ölçümler cenin dokusunda tekrarlandı, ama organoid gerçek beyin değil.
• Primatlarda sistematik canlı analizler etik nedenlerle sınırlı; örneklem küçük kalmak zorunda.
• Çalışma nöron üretimine odaklandı. Mekanik etkenler ve metabolik farklar gibi kıvrıma katkı verebilecek başka katmanlar kapsam dışında bırakıldı.
• Kıvrım miktarı zekâ ölçüsü değil; çalışma böyle bir iddia taşımıyor. Marmoset kıvrımsız beyniyle karmaşık ses iletişimi ve sosyal yaşam sürdüren bir tür.

Açık soru

Şimdi test edilebilir hale gelen şey şu: organoidde hücre döngüsünü kısaltmak ya da PALMD'yi yükseğe çekmek marmoset dokusunu katlamaya yeter mi, yoksa frenlerin hepsini birden gevşetmek mi gerekir? Nedensellik iddiası ancak bu tür müdahalelerle kurulabilir; bugünkü tablo hâlâ büyük ölçüde bir ilişki tablosu.

Ekibin ikinci hedefi kliniğe dönük: kabuğun ölçeğini belirleyen aynı hücre programları insanda aksadığında beyin gelişimi bozuklukları ortaya çıkıyor, ve organoid artık bu programların saatini tutabilen bir tezgâh. Çalışmanın yazarları arasında İrfan Burak Göloğlu da yer alıyor.

Öte yandan marmoset, elimizdeki en iyi karşı örnek olmayı sürdürüyor. Beyin kıvrımına dair her yeni açıklama, önce şu soruyu geçmek zorunda: bu hücre marmosette de var; peki neden onun beyni hâlâ düz?

Fotoğraf: Leszek Leszczynski, CC BY 2.0, Wikimedia Commons