İnsan beyni sıkı bir enerji bütçesiyle çalışır. Vücut ağırlığımızın sadece %2’sini oluşturmasına rağmen enerjimizin yaklaşık %20’sini tüketir. Her düşündüğümüzde, hissettiğimizde, hareket ettiğimizde veya hatırladığımızda, milyarlarca beyin hücresi içlerindeki mikroskobik motorlardan güç alır – mitokondri adı verilen minik organeller.
Ancak şimdiye kadar hiç kimse bu güç merkezlerinin nerede olduğunu, kaç tane olduğunu veya beynin geniş coğrafyasında ne kadar iyi çalıştığını haritalamamıştı.
Şimdi, bilim insanları ilk kez bu temel enerji üreticilerinin kapsamlı bir atlasını oluşturdular. MitoBrainMap olarak bilinen proje , beynin kendisini bölge bölge nasıl güçlendirdiğini gösteriyor. Bunu yaparken, depresyondan Alzheimer hastalığına kadar uzanan rahatsızlıkları anlamak ve sonunda tedavi etmek için yeni yollar açabilir.
Sinirsel Gücün Gizli Mimarisi
Haritayı oluşturmak için Columbia Üniversitesi ve Bordeaux Üniversitesi’ndeki araştırmacılar, donmuş bir insan beyninden bir dilim aldılar ve bir ağaç işleme testeresi kullanarak (aman Tanrım!) bunu 703 şeker küpü büyüklüğünde parçaya böldüler; her parçanın bir kenarı üç milimetreydi.
Columbia Üniversitesi’nde psikobiyolog ve çalışmanın liderlerinden biri olan Martin Picard, “En zorlayıcı kısım çok fazla örnek olmasıydı” dedi.
Ekip, buradan itibaren her küpteki mitokondrilerin yoğunluğunu ve enerji verimliliğini biyokimyasal ve moleküler teknikler kullanarak analiz etti. Sadece dokuya kaç tane mitokondrinin yerleştirildiğine değil, aynı zamanda bu mitokondrilerin ne kadar iyi enerji üretebildiğine de baktılar.
Veriler, mitokondrilerin tüm beyinde nasıl dağıldığını ve işlediğini tahmin eden bir hesaplama modelinin temelini oluşturdu. Sonuç, beynin enerji manzarasının çarpıcı yeni bir haritasıydı.
Münih Teknik Üniversitesi’nde nörobiyolog olan Valentin Riedl (çalışmaya dahil değil), “Hem teknik olarak etkileyici hem de kavramsal olarak çığır açıcı” dedi.
Yeni Beyin Bölgelerinin Daha Fazla Enerjiye İhtiyacı Var
Böylesine yüksek çözünürlüklü yeni bir haritanın beyin hakkında yeni şeyler ortaya çıkarması kaçınılmazdı. Örneğin, harita beynin güç kaynağının eşit şekilde dağıtılmadığını gösteriyor. Bazı bölgeler daha fazla enerjiye ihtiyaç duyuyor ve bunu elde etmek için inşa edilmişler.
Beyin hücrelerinin bilgiyi işlediği yoğun bölgeler olan gri madde, hücreler arasında mesaj taşıyan beyaz maddeden %50’den fazla mitokondriye sahipti. Sadece bu değil, gri maddedeki mitokondriler, özel enzim sistemleri sayesinde enerji üretmede daha verimliydi.
Ayrıca ekip, her mitokondrinin ne kadar enerji üretebileceğini ölçen “mitokondriyal solunum kapasitesi” (MRC) adı verilen bir ölçüm geliştirdi. Gri madde sürekli olarak daha yüksek MRC değerleri gösterdi ve bu da mitokondrilerinin enerji gerektiren bilişsel işler için moleküler olarak ince ayarlı olduğunu gösteriyor.
Beynimizin en gelişmiş kısmı olan korteks olarak bilinen kırışık dış tabaka öne çıktı.
Ekipte yer alan hesaplamalı araştırma bilimcisi Anna Monzel, “Bu yeni beyin bölgeleri yalnızca daha fazla mitokondri içermiyordu, aynı zamanda bu mitokondriler daha verimli enerji üretimi için uzmanlaşmıştı.” dedi.Bu, beyin evrimi hakkında bildiklerimizle örtüşüyor.
Beyin enerjisi evrimi
Daha yakın zamanda (nispeten konuşursak – yaklaşık 300 ila 500 milyon yıl önce) evrimleşen korteks , planlama, soyut düşünme ve dil gibi karmaşık işlevleri destekler. Bu süreçler enerji yoğundur ve artık oradaki mitokondrilerin bu talepleri karşılamak için adapte olduğunu biliyoruz. Beyin sapı ve bazal ganglionlardakiler gibi daha eski beyin yapıları, solunum kapasiteleri için daha düşük değerler gösterme eğilimindeydi.
Yazarlar, “Enerji dönüşümü için moleküler olarak uzmanlaşmış mitokondrilerin evrimsel kalıplarla hizalanması, insanlara özgü yüksek enerji maliyetlerini sürdürmek için evrimleşen altta yatan hücre içi biyoenerji altyapısına ışık tutuyor” diye yazıyor.
Bu gradyan, karmaşık bilişsel işlevlerin mitokondriyal bozukluklarda neden özellikle savunmasız olduğunu açıklamaya yardımcı olabilir. Bu tür bozukluklar Parkinson’dan şizofreniye kadar hastalıklarla ilişkilendirilmiştir.
Picard, “Enerji, biyomedikalin eksik boyutudur. Sağlığı enerji olarak düşünürseniz, bu sizi farklı sorular sormaya teşvik eder.” diyor
Şu sorular gibi: Beyin hasarını iyileştirmek için ne kadar enerji gerekir? Hastalığın başlangıcını işaret eden mitokondrilerdeki erken değişiklikleri tespit edebilir miyiz? Yediğimiz yiyecekler beynimizin enerji üretme şeklini etkiler mi?
Ve belki de en ilgi çekici olanı: Standart beyin taramalarını kullanarak bu gizli mitokondriyal dünyaya bakabilir miyiz? Ekip bunun mümkün olduğuna inanıyor.
Bunun Gelecek İçin Anlamı Nedir?
Yaklaşık 2.000 sağlıklı yetişkinden alınan beyin taramalarını kullanan araştırmacılar, doku yoğunluğu, fonksiyonel aktivasyon ve nörit karmaşıklığı gibi standart MRI ölçümlerine dayalı mitokondriyal özellikleri tahmin etmek için istatistiksel bir model eğittiler.
Şaşırtıcı bir şekilde, model, başlangıçtaki doku diliminde yer almayan beyin bölgelerindeki enzim aktivitesi veya yoğunluk gibi mitokondriyal özellikleri tahmin edebildi. Sadece MRI’dan üretilen haritalar, doğrudan biyokimyasal analizden elde edilenlerle yakından eşleşti. Özünde, ekip, invaziv olmayan görüntülemeden mitokondriyal aktiviteyi tahmin etmek için bir araç oluşturmuştu.
“Beyindeki mitokondriyal özelleşmeye ilişkin nörogörüntüleme tabanlı tahminlerimiz, beyin evrimini tahmin eden haritalarla önemli bir korelasyon gösterdi” diye belirtiyorlar.Bu, yaşayan insanlarda kişiselleştirilmiş “mitokondriyal haritaların” önünü açıyor ve potansiyel olarak beyin gelişimi, yaşlanma ve hastalıkları inceleme biçimimizi dönüştürüyor.
Ancak çalışmanın sınırları var. Tek bir beyne dayanıyor. Bireyler, yaşlar ve cinsiyetler arasındaki biyolojik çeşitlilik henüz keşfedilmemiş durumda.Yine de araştırmacılar iyimser. Yöntemleri -dondurma, kesme, test etme, haritalama- ölçeklendirilebilir. Ve modelleri halihazırda mevcut beyin taramalarına uygulanabilir.
Bulgular Nature dergisinde yayımlandı .
Yorumlar
0 Yorumlar
