Beyin Diğer Organlarla Nasıl İletişim Kuruyor?

Bu yazı https://www.sciencemag.org/news/2021/06/newly-detailed-nerve-links-between-brain-and-other-organs-shape-thoughts-memories-and adresinden derlenerek oluşturulmuştur.

1930'larda beyin cerrahı Wilder Penfield, bir stenograf not alırken, hastalarının bazı beyin bölgelerine bir elektrotu nazikçe dokundurdu ve elektrik akımı farklı bölgelere çarptığında ne hissettiklerini sordu. Penfield, cerrahlar epileptik nöbetleri tetikleyen tümörleri veya doku parçalarını çıkarmak zorunda kaldığında hangi beyin fonksiyonlarının tehdit altında olacağını daha iyi tahmin etmek istedi. Bitişik beyin bölgelerini uyarmanın, karşılık gelen vücut bölümlerinde duyumlar ürettiğini buldu: el, önkol, dirsek. Yaptığı haritalandırma ikonik "homunculus" oldu: beynin buruşuk dış tabakasında vücudun yüzeyini temsil eden bir harita.

Penfield daha sonra daha gizemli bir bölgeye girdi. Korteksin derin bir kıvrımı olan insula'yı incelediğinde, bazı hastalar mide bulantısı ya da gaz hissetti; diğerleri geğirdi veya kustu. Biri, "midem bulanıyor ve ilaca benzeyen bir koku alıyorum" dedi. Penfield, bu visseral sinyallerin deşifre edilmesinin, beynin vücut yüzeyi haritasından daha zor olduğunu buldu. Farklı içsel duyumlardan sorumlu beyin bölgeleri örtüşüyor gibiydi. Duyusal bölgeleri, bağırsaklara kasılmasını söylemek gibi motor talimatlar gönderenlerden ayırt etmek zordu. Penfield bir keresinde katılımcılardan beyinlerini uyarırken bağırsak kasılmalarındaki değişiklikleri tespit etmek için bir elektrot yutmalarını istedi. Ancak iç organlarla ilgili haritası bulanık ve belirsizdi, sonraki yüzyılın büyük bölümünde bu şekilde kaldı.

Onlarca yıl sonra, bilim insanları ıslak, süngerimsi, kaygan organlarımızın beyinle nasıl konuştuğunu ve beynin nasıl konuştuğunu çözmeye başlıyor. İnterosepsiyon olarak bilinen bu iki yönlü iletişim, karmaşık, vücut çapında bir sinir ve hormon sistemini kapsar. Son zamanlarda yapılan araştırmalar vagus sinirine odaklandı: bu, neredeyse her iç organdan beynin tabanına giden  ve oradan geri gelen 100.000'den fazla liften oluşan devasa, kıvrımlı bir ağ.

Hayvanlardaki sinirlerin rotalarını haritalamak ve insanlarda iç algıyı ölçmek için yeni tekniklerle araştırmacılar, Penfield ve diğerlerinin tasarladıklarına şaşırtıcı yeni ayrıntılar ekliyor. 100 yıldan fazla bir süredir bilim insanları vagus sinirinin organlar ve beyin sapı arasında sinyaller taşıdığını biliyorlar. Parasempatik sinir sisteminin bir parçası olarak -vücut rahatken veya stresten kurtulduğunda aktiftir- vagus, kalp hızı, nefes alma ve sindirim gibi otonomik fonksiyonları düzenler. Ancak yeni araştırmalar, vagal lifler tarafından taşınan sinyallerin beyin sapının ötesine geçtiğini ve beyinde içsel değişiklikleri yorumlayan, vücudun ihtiyaçlarını öngören ve bunları yerine getirmek için komutlar gönderen geniş bir algılayıcı ağı ortaya çıkardığını gösterdi. Ağ, daha karmaşık bilişle ilgili beyin bölgelerini içerir; bu, vücudun temel çalışmalarını izleyen sinirlerin aynı zamanda nasıl hatırladığımıza, duygularımızı nasıl işlediğimize ve hatta benlik algımızı nasıl oluşturduğumuza yanıt verdiği ve etkilediği anlamına gelmektedir. Beyin ve beden bozuklukları arasındaki geleneksel ayrımlara meydan okuyan yeni çalışmalar, bilincin doğasına dair ipuçları içerebilir. École Normale Supérieure'de sinirbilimci olan Catherine Tallon-Baudry, görme gibi daha iyi anlaşılan duyularla karşılaştırıldığında, iç algılamanın “yeni bir kıta” gibi olduğunu söylemektedir.

İnterosepsiyonun hem fiziksel hem de duygusal iyi oluşun anahtarlarını elinde tuttuğuna dair kanıt, vagusu cezbedici bir terapötik hedef haline getirir. Köprücük kemiğinin altına yerleştirilen bir cihaz aracılığıyla vagusa elektrik darbeleri ileten vagus sinir stimülasyonu (VNS), epilepsi ve depresyonu tedavi etmek için Amerika Birleşik Devletleri'nde zaten onaylanmış bir tedavi biçimidir. Boyun derisine akım veren bir cihaz ve transkutanöz auriküler VNS (taVNS) adı verilen ve kulağa takılan bir cihaz da dahil olmak üzere daha az invaziv stimülasyon biçimleri, romatoid artrit, obezite ve Alzheimer gibi çeşitli hastalıklar için araştırılmaktadır. Yine de her iki yaklaşımın da nasıl işe yarayacağı ve yan etkilerin nasıl en aza indirileceği belirsizdir. Scripps Research'te intersepsiyon üzerine çalışan doktora sonrası araştırmacı Kara Marshall, vagusun uyarılmasının “vücuda birçok şeyi açıkça yaptığını” söylüyor. "Zorluk, net mekanizmaları ortaya çıkarmak."

Bunu yapmak için, araştırmacıların önce vagus sinirinin karmaşık bağlantılarının haritasını çıkarmaları ve ardından beynin mesajları nasıl temsil ettiğini ve bunlara nasıl yanıt verdiğini ortaya koyması gerekir. Bu görev göz korkutucu çünkü birçok periferik sinirde olduğu gibi, vagus siniri de yalıtkan bir yağlı miyelin tabakası olmayan çok sayıda ince, seyrek liflere sahiptir ve bu da onları izlemeyi zorlaştırır. Ancak yeni araçlar resmi netleştiriyor. Bir hücre biyoloğu olan Steve Liberles, bilim insanlarının bir dokudaki hücre tiplerini gen ekspresyon paternleri temelinde tanımlamasına olanak tanıyan tek hücreli RNA diziliminin, sonunda "vagusun karanlık maddesini" incelemeyi mümkün kıldığını söylüyor. Ekibi, kemirgenlerde nefes almayı kontrol eden ve öksürüğü tetikleyen, kan basıncı ve oksijendeki değişiklikleri algılayan ve sindirim sistemindeki gerilme ve besinleri tespit eden hücreler de dahil olmak üzere vagal hücre tiplerinin “şaşırtıcı çeşitliliğini” tanımlamak için bu geneyik yöntemini kullandı. Son zamanlarda, Liberles'in ekibi beyin sapında vagal nöronlara bağlı ve mide bulantısını tetikleyen hücreler keşfetti. Bu bulgu, bu sinir yollarını uyarmaktan veya hatta onları sıkıştırmaktan kaçınan daha tolere edilebilir kemoterapilere yol açabilir.

Araştırmacılar ayrıca, bağlı nöronlar yoluyla organlardan beyne yayılan bir tür kuduz virüsü ile laboratuvar hayvanlarına enjekte edebilirler. Pittsburgh Üniversitesi'nden bir sinirbilimci olan Peter Strick, virüsü sıçan midelerine enjekte etti ve iç organlardan gelen duyuları işlediği ve duyguları düzenlediği düşünülen, yeterince anlaşılmamış bir bölge olan rostral insula'ya giden vagal yollar keşfetti. Strick daha sonra bu insula hücrelerinin sindirimi uyardığını, oysa motor korteksten mideye uzanan ikinci bir vagus yolunun tam tersini yaptığını, asit üretimini ve yiyecekleri sindirmeye ve hareket ettirmeye yardımcı olan kas kasılmalarını durdurduğunu gösterdi.

Ulusal Bilimler Akademisi Bildiriler Kitabında geçen yıl yayınlanan bulgular, stresin mide ülserine neden olduğu fikrini canlandırabilir. Bu fikir, 1980'lerde, 2005 Nobel Ödülü'ne yol açan ve onları Helicobacter pylori ile bakteriyel enfeksiyonlara kadar izleyen bir çalışmanın ardından büyük ölçüde reddedildi. Ancak yeni çalışma, stresin, vagal yolu bozarak sindirimi engelleyebileceğini ve midede ülsere neden olan bakteriler için daha hoş bir ortam yaratabileceğini öne sürüyor.

Vagus bağlantılarıyla ilgili diğer çalışmalar, bunların hafızayı ve öğrenmeyi etkilediğini öne sürüyor. Sıçanlarda 2018 yılında yapılan bir çalışmada, Güney Kaliforniya Üniversitesi'nden sinirbilimci Scott Kanoski, mide ve anıları oluşturmak için çok önemli bir beyin bölgesi olan hipokampus arasındaki duyusal vagal bağlantıları kopardı. Kesinti, hayvanların yeni nesneleri ve yerleri hatırlamasını engelledi ve nöronların doğumunu yavaşlattı. İç algılayıcı sinyaller, hipokampüsün yaşamı sürdüren anılar oluşturmasına yardımcı olur. Son araştırmalar gösteriyor ki, vagal devreler aynı zamanda motivasyon ve ruh halini de yönlendiriyor. 2018'de Duke Üniversitesi'nden sinirbilimci Diego Bohórquez, fare bağırsağında nöropod adı verilen besin algılayan hücreler ile beyin arasında doğrudan bir vagal bağlantı keşfetti. İkinci bir çalışmada, Mount Sinai'deki Icahn Tıp Okulu'ndan sinirbilimci Ivan de Araujo, bu devreleri bir lazerle uyarmanın, beyindeki ödüllendirici nörotransmitter dopaminin salınımını tetiklediğini ve kemirgenleri daha fazla uyarı aramaya motive ettiğini keşfetti. Çalışmalar, yemek yemenin neden iyi hissettirdiğini ve insanlarda vagusun uyarılmasının depresyonu nasıl hafiflettiğini açıklamaya yardımcı olabilir.

Başka bir acil soru, beyin-vücut iletişiminin nasıl ters gittiğidir. 2019 yılında, Mount Sinai’den sinirbilimci Paul Kenny, sıçanlarda nikotin bağımlılığı ile tip 2 diyabet arasında şaşırtıcı bir bağlantı keşfetti. Kenny, nikotin, habenula adı verilen bir beyin bölgesindeki nöronal reseptörlere bağlandığında, pankreasın kan şekerini yükselten bir hormon olan glukagonu serbest bırakmasını ister. Zamanla, bu sinyaller pankreası strese sokarak diyabet riskini artırabilir. Bu arada, vagus ve diğer interseptif yollar aracılığıyla iletilen kronik olarak yüksek glikoz seviyeleri, habenula'nın nikotine daha az şiddetli tepki vermesine neden olarak, farelerin daha fazla ilaç aramasına neden olur. Bu sonuç, diyabetin insanları nikotin bağımlılığına daha yatkın hale getirebileceğini gösteriyor.

Feinstein Tıbbi Araştırma Enstitüleri başkanı beyin cerrahı Kevin J. Tracey, bazı psikiyatrik bozuklukların açıkça yalnızca beyinde ortaya çıkmasına rağmen, “Diğer durumlarda [onların] vücuttan kaynaklanabileceğine ikna oldum” diyor. Ekibi, beyin ve iç organlar arasındaki sinyallerin bağışıklık sistemini nasıl modüle ettiğini araştırdı ve son zamanlarda fare beyin sapında vagus yoluyla dalağa sinyaller göndererek iltihabı düzenleyen bir hücre kümesi tanımladı.

Northeastern Üniversitesi'nden bir sinirbilimci olan Lisa Feldman Barrett, duygudurum bozukluklarının metabolik sorunlardan kaynaklanabileceğine ve bunun da kökleri erken çocukluk çağı travması ve ihmal veya uyku yoksunluğu gibi beyni etkileyen stres faktörlerine dayanabileceğine dair kanıtlara işaret ediyor. Bu tür deneyimler, içsel duyumları nasıl yorumladığımızı da şekillendirebilir. Barrett, pasif olarak bilgi almak yerine, beynin sürekli olarak duyusal koşullarının bir modelini inşa ettiğini ve doğru yanıtı yönlendirmek için bunlara neyin neden olduğunu tahmin ettiğini söylüyor. "Göğsünüzde bir çekişme hissediyorsunuz ve beyniniz bunun akşam yemeğinde çok fazla yediğiniz için mi yoksa kalp krizinin erken belirtisi mi olduğuna karar vermek zorunda."

Ancak Penfield'ın keşfettiği gibi, insanların içsel duyumlarını nasıl deneyimlediklerini incelemek zor bir iştir. Birçok sinyal bilinçsizdir ve farkındalığımıza ulaştığında, genellikle bulanık ve belirsizdir, bu da insanların yaşadıklarını bildirmelerini zorlaştırır. Barrett, görme yüksek çözünürlüklü TV gibiyse, "interception” farkındalığımız 1950'lerin siyah beyaz televizyonunun bir yağmur fırtınasında kötü sinyal alımı gibi" olduğunu söylüyor.

Yaygın olarak kullanılan interseptif farkındalık testleri, insanlardan vagus tarafından iletilen bir interseptif sinyal olan kendi kalp atışlarını tespit etmelerini veya saymalarını ister. Ancak bu görevleri istirahatte yapmak zordur ve örneğin bir fitness takipçisi takarken kalp atış hızı hakkında önceden edinilen bilgilerle kolayca önyargılı olabilir. Kalbinizi hızlandıran adrenalin benzeri bir ilaç almak veya gastrointestinal sisteminizde şişen bir balonu yutmak gibi diğer interseptif testler korkutucu veya rahatsız edicidir. Laureate Beyin Araştırmaları Enstitüsü'nden sinirbilimci Sahib Khalsa, bir kişinin bunlarla ilgili farkındalığını test etmek için kalp atışı gibi hayati süreçleri bozmak  riskli olabilir, diyor.

Khalsa, minimal invaziv önlemler arayanlar arasında. Ekibi yakın zamanda 40 sağlıklı kişiden mideden geçerken rastgele vızıldayan bir kapsülü yutmasını istedi. Khalsa bir kapsül aldı ve bunun tuhaf bir his olduğunu söyledi. "Telefonunuzu titreşime alıp yuttuğunuzu ve sonra birinin sizi aramaya başladığını hayal edin."

Khalsa'nın ekibi, Şubat ayında bioRxiv'de yayınlanan makalelerinde, titreşimlerin zamanlamasını daha iyi tespit eden insanların, bedensel farkındalıkla bağlantılı bir beyin bölgesi olan posteromedial korteksin üzerindeki kafa derisi elektrotlarında daha güçlü elektroensefalogram (EEG) tepkileri gösterdiğini bildirdi. Vızıldayan hapın insanların algılama keskinliğini test etmenin ve fiziksel ve zihinsel sağlıkla olan bağlantıları belirlemenin kullanışlı bir yolunu kanıtlayacağını umuyorlar. Çalışmacılar, bilişsel eğitimin, ezici içsel hisleri yönetmelerine yardımcı olabileceğini belirtiyorlar.

Sinir trafiğini değiştirebilen ve beyin ritimlerini etkileyebilen VNS de olabilir. Bir California tıp teknolojisi şirketi olan Cala Health ile çalışan Napadow, kulağa takılan taVNS cihazının bir kişinin nefes alışıyla ritim içinde stimülasyon sağlayan bir versiyonunu geliştiriyor. Tasarım, bir kişi nefes verdiğinde beyin sapının stimülasyona daha duyarlı olduğunu gösteren beyin görüntüleme verilerine dayanmaktadır. Amacı, kronik ağrı ve migren gibi durumları, beyin sapından geçen sinyalleri, noradrenalin ve serotonin gibi sinyal molekülleri aracılığıyla ağrı algısını azaltan daha yüksek beyin bölgelerine yükselterek tedavi etmektir.

Bilim insanları, insan kulağındaki vagal sinirlerin beyne nasıl bağlandığından veya taVNS cihazlarının nasıl çalışabileceğinden tam olarak emin değiller. Ancak teknik, cerrahi olarak implante edilen VNS uyarıcılarına invaziv olmayan bir alternatif sunuyor. Bu cihazları etik olarak incelemek zordur, çünkü kısmen araştırmacılar bunları uzun süre elektriksel uyarı alamayan kontrol grubu katılımcılarına yerleştirmek zorundadır. İmplantlar ayrıca çıkarmak için ameliyat gerektirir ve baş ağrısı, mide bulantısı ve öksürük gibi istenmeyen yan etkilere neden olabilir.

Diğer araştırmacılar, taVNS'nin bilincin kendisini etkileyip etkilemediğini araştırıyorlar. Liège Üniversite Hastanesinde, nörolog Steven Laureys ve meslektaşları, komadan iyileşen insanlarda farkındalığı yeniden sağlamak için klinik bir taVNS denemesi planlıyorlar. Bu hastalar, araştırmacıların gri bilinç bölgesi dediği şeyi işgal eder - genellikle tespit edilmesi zor olan aralıklı, titreyen bir farkındalık. Laureys, tamamen tepkisiz görünen insanların yaklaşık üçte birinin en azından kısmen bilinçli olduğunu ancak iletişim kuramadıklarını söylüyor.

Deneme, Laureys ve Tallon-Baudry'nin 68 koma hastasında bilinç için bir araştırma olarak interception kullandığı yakın tarihli bir çalışmaya dayanıyor. Ekip ilk olarak, beyin metabolizmasını ölçen pozitron emisyon tomografi taramaları ve MRI dahil olmak üzere standart testlere göre bilinç belirtileri gösteren bu gruptan 55 kişiyi belirledi.

Daha sonra araştırmacılar, hastaların kendi kalp atışlarına kısacık yanıtlarını kaydetmek için EEG'yi kullandılar. Ekibin Nisan ayında The Journal of Neuroscience'da bildirdiğine göre, kalp atışı ile uyarılan beyin tepkilerini %87 doğrulukla tanımlanan bilinçle ilişkilendirmek için eğitilmiş bir yapay öğrenme algoritması kullandılar.

İlk sonuçlar daha büyük çalışmalarda tutarsa, ölçüm, ses veya dokunma gibi harici bir uyarana gözle görülür şekilde tepki veremeyen insanlarda bilinci değerlendirmek için daha basit ve daha ucuz bir yol sunabilir. Algoritma, taVNS çalışması gibi klinik deneylerde kimin yanıt verme olasılığının daha yüksek olduğunu da tahmin edebilir. Laureys'in ekibi, yarısı elektrik stimülasyonu alacak olan 60 koma hastasında cihazın güvenliğini test etmeyi hedefliyor. Araştırmacılar daha sonra standart bir koma iyileşme ölçeğinde tepkilerini ölçecekler.

Allen Beyin Bilimi Enstitüsü'nden sinirbilimci Christof Koch, standart EEG testlerinden biraz daha doğru olmasına rağmen, hala hatalı bir şekilde bazı insanları bilinçli olmayan olarak tanımladığını ve bunun da yanlış umutlara yol açabileceğini belirterek kalp atışı yöntemi konusunda temkinli davranıyor. Yapay öğrenme, beyin aktivitesi kalıplarını ayırt etmede şaşırtıcı bir doğruluğa sahip olsa da, bu kalıpların bilinci nasıl yönlendirdiğini ortaya çıkarılmadığını da ekliyor. Yine de, diğer birçok araştırmacı gibi, Koch da iç algılayıcı deneyimlerin “bilincin bir parçası ve alanı” olduğuna ikna olmuş durumda.

İçe dönük deneyimlerin nasıl ve kimin için ortaya çıktığıyla ilgili temel sorular devam ediyor. Koch, "Bir robot, enerjisi bittiğinde hemen bir elektrik prizine gitmesi gerektiği hissine kapılır mı?" diye merak ediyor.

Tallon-Baudry'ye göre, koma hastalarında yapılan araştırma, bedensel düzenlemeyi, benlik duygumuzu oluşturan dil gibi "yüksek" zihinsel süreçlerden ayrı olarak düşünmenin uzun bir geçmişine meydan okuyor. Dört yüzyıl önce René Descartes, ünlü bir şekilde zihni bedenden ayrı olarak kavramsallaştırdı. Ancak EEG çalışmasının, gizli ve özel bir iç algılama eylemi olarak farklı bir bilinç fikri sunduğunu söylüyor: “deneyimin öznesi olarak sadece mevcut olmak.”

Brain & Behavior

doi:10.1126/science.abj8940