Beynin gelişme şekli hayatımız boyunca bizi şekillendirebilir, bu nedenle sinirbilimciler bunun nasıl gerçekleştiği konusunda son derece meraklıdırlar. MIT'deki Picower Öğrenme ve Bellek Enstitüsü'ndeki araştırmacılar tarafından farelerde görsel korteks gelişimi üzerine yapılan yeni bir çalışma, önemli bir nöron sınıfının, şaşırtıcı olsa da, devre optimizasyonu için doğru koşulları yaratabilecek bir dizi kuralı izlediğini ortaya koyuyor.
Beynin erken gelişimi sırasında, görsel kortekste (beynin görmeyi işlediği yer) çok sayıda nöron türü ortaya çıkar. Birçoğu "uyarıcı"dır ve beyin devrelerinin aktivitesini yönlendirirken, diğerleri "engelleyici"dir, yani bu aktiviteyi kontrol ederler. Tıpkı bir arabanın sadece motora ve gaz pedalına değil, aynı zamanda direksiyona ve frenlere de ihtiyacı olması gibi, beynin düzgün çalışması için uyarım ve engelleme arasında sağlıklı bir denge gereklidir. Gözler ilk açıldıktan kısa bir süre sonra, görsel kortekste "kritik bir gelişim dönemi" boyunca, uyarıcı ve engelleyici nöronlar, yeni oluşan devreleri gelen görsel deneyim seline uyarlamak için milyonlarca bağlantı veya sinaps oluşturur ve düzenler. Başka bir deyişle, beyin günler boyunca dünyaya uyumunu optimize eder.
MIT araştırma bilimcisi Josiah Boivin ve Profesör Elly Nedivi liderliğindeki bir ekip , The Journal of Neuroscience'da yayınlanan yeni bir çalışmada, somatostatin (SST) ifade eden inhibitör nöronların, genişleyen dendrit dalları boyunca uyarıcı hücrelerle sinaps oluşturmasını görsel olarak izleyerek, kritik dönem öncesi, sırası ve sonrasındaki eylemi eşi benzeri görülmemiş bir çözünürlükle gösterdi. SST hücrelerinin izlediği görünen kuralların birçoğu beklenmedikti; örneğin, diğer hücre tiplerinin aksine, aktiviteleri görsel girdiye bağlı değildi. Ancak bilim insanları artık bu nöronların benzersiz yörüngesini bildiklerine göre, duyusal aktivitenin gelişimi nasıl etkileyebileceğine dair yeni bir fikirleri var: SST hücreleri, yalnızca belirli türdeki duyusal girdilerin devre iyileştirmesini tetiklemesini sağlamak için gereken temel inhibisyon seviyesini oluşturarak kritik dönemin başlamasına yardımcı olabilir.
MIT'nin Biyoloji ve Beyin ve Bilişsel Bilimler bölümlerinde görev yapan ve Picower Enstitüsü'nde William R. ve Linda R. Young Profesörü olan Nedivi, "Deneyime gerçekten duyarlı olmayan bir devre parçasına neden ihtiyaç duyulsun ki? Belki de deneyime bağlı bileşenlerin işlerini yapmaları için bir zemin hazırlıyordur" diyor.
Boivin şöyle ekliyor: "SST nöronlarının kritik dönemin başlangıcında nedensel bir rol oynayıp oynamadığını henüz bilmiyoruz, ancak kortikal devreleri kritik bir gelişim aşamasında şekillendirmek için kesinlikle doğru yerde ve doğru zamanda bulunuyorlar."
Eşsiz bir yörünge
SST-uyarıcı sinaps gelişimini görselleştirmek için Nedivi ve Boivin'in ekibi, sinaptik proteinlerin ekspresyonunu floresan moleküllerle eşleştiren genetik bir teknik kullanarak, SST hücrelerinin uyarıcı nöronlara ulaşmak için kullandığı "düğmeciklerin" görünümünü çözümledi. Daha sonra, Picower Enstitüsü'nde Kwanghun Chung'un laboratuvarı tarafından geliştirilen ve beyin dokusunu genişletip şeffaflaştırarak büyütmeyi artıran eMAP adı verilen bir teknik uyguladılar; bu da, bu düğmeciklerin dendritleri boyunca uyarıcı hücrelerle nihayetinde oluşturduğu gerçek sinapsların süper çözünürlüklü görselleştirilmesine olanak sağladı. Ortak yazar ve doktora sonrası araştırmacı Bettina Schmerl, eMAP çalışmasına öncülük etti.
Bu yeni teknikler, gözler açıldığında ve kritik dönem başladığında SST düğümlerinin ortaya çıkmasının ve ardından sinaps oluşumunun dramatik bir şekilde arttığını ortaya koydu. Ancak bu zaman diliminde uyarıcı nöronlar önce korteksin en derin katmanlarında ve daha sonra daha yüzeysel katmanlarında olgunlaşmaya devam ederken, SST düğümleri tüm katmanları aynı anda kapladı; bu da, belki de sezgisel olarak tersine, hedefledikleri ortaklarının olgunlaşma aşamasından bağımsız olarak engelleyici etkilerini kurmaya çalıştıkları anlamına geliyor.
Birçok çalışma, gözlerin açılması ve görsel deneyimin başlamasının, uyarıcı hücrelerin ve bir diğer önemli inhibitör nöron tipinin (parvalbumin eksprese eden hücreler) gelişimini ve ayrıntılanmasını harekete geçirdiğini göstermiştir. Örneğin, fareleri farklı sürelerde karanlıkta tutmak, bu hücrelerde meydana gelen olayları belirgin şekilde değiştirebilir. Ancak SST nöronları için durum böyle değil. Yeni çalışma, değişen karanlık sürelerinin SST düğümünün ve sinaps görünümünün gidişatını etkilemediğini; değişmeden kaldığını gösterdi; bu da, deneyimden ziyade genetik bir program veya yaşa bağlı moleküler bir sinyal tarafından önceden belirlendiğini düşündürmektedir.
Dahası, gelişim sırasında sinaps oluşumunun ilk yoğunluğundan sonra, birçok sinaps düzenlenir veya budanır, böylece yalnızca uygun duyusal tepkiler için gerekli olanlar kalır. Yine, SST düğümleri ve sinapslarının bu düzenlemelerden muaf olduğu kanıtlanmıştır. Kritik dönemin zirvesinde yeni SST sinaps oluşum hızı yavaşlasa da, net sinaps sayısı asla azalmadı ve hatta yetişkinliğe kadar artmaya devam etti.
Nedivi, "Birçok insan inhibisyon ve uyarılma arasındaki tek farkın değerlik olduğunu düşünse de, bu durum inhibisyonun tamamen farklı kurallar çerçevesinde işlediğini gösteriyor" diyor.
Özetle, diğer hücre tipleri sinaptik popülasyonlarını gelen deneyime göre şekillendirirken, SST nöronları korteksin tüm katmanlarında erken ama istikrarlı bir engelleyici etki sağlıyor gibi görünüyordu. Yetişkinlik dönemine gelindiğinde uyarıcı sinapslar budandıktan sonra, SST inhibisyonunun sürekli yukarı doğru akışı, yetişkin beyninin hala öğrenmesine olanak tanıyan, ancak erken çocukluk dönemindeki kadar dramatik veya esnek olmayan inhibisyon/uyarılma oranındaki artışa katkıda bulunabilir.
Gelecek araştırmalar için bir platform
Nedivi, çalışmanın tekniklerinin, tipik beyin gelişimine ışık tutmanın yanı sıra, uyarım ve inhibisyon dengesindeki sapmaların söz konusu olduğu otizm veya epilepsi gibi nörogelişimsel bozuklukların fare modellerinde yan yana karşılaştırmalar yapılmasına olanak sağlayabileceğini söylüyor.
Gelecekte bu teknikler kullanılarak yapılacak çalışmalar, görsel korteks dışındaki beyin bölgelerinde farklı hücre tiplerinin birbirleriyle nasıl bağlantı kurduğunu da inceleyebilir, diye ekliyor.
Amherst Koleji'nde öğretim üyesi olarak yakında kendi laboratuvarını açacak olan Boivin, yaptığı çalışmayı yeni yollarla uygulamaya hevesli olduğunu söylüyor.
Boivin, "Gelecekteki laboratuvarımda genetik olarak tanımlanmış hücre tiplerinde engelleyici sinaps oluşumunu araştırmaya devam etmekten heyecan duyuyorum," diyor. "Ergenlerin ruh sağlığıyla ilgili davranışları düzenleyen limbik beyin bölgelerinin gelişimine odaklanmayı planlıyorum."
Makalenin diğer yazarları arasında Nedivi, Boivin ve Schmerl'in yanı sıra Kendyll Martin ve Chia-Fang Lee de yer alıyor.
Çalışmanın finansmanı Ulusal Sağlık Enstitüleri, Deniz Kuvvetleri Araştırma Ofisi ve Freedom Together Vakfı tarafından sağlandı.
