Bilinen evrendeki en karmaşık nesne ya da sistem olarak tabir edilen insan beyni, yüz milyar nöron ve bu nöronlar arasındaki on binlerce bağlantı ile çalışma sistemi açısından pek çok karmaşık soruyu kendi içinde barındırmaktadır. 

İnsan beyninde diğer hayvanların beyinlerinden farklı bir şeyler olmalı - insanların plan yapmasını, geleceği hayal etmesini, bulmaca çözmesini, alaycı şakalar yapmasını ve türümüzü benzersiz kılan diğer birçok şeyi yapmasını sağlayan bir şey. Ve insanların neden diğer hayvanlarda olmayan bipolar bozukluk ve şizofreni gibi yıkıcı durumlara yakalandığını açıklayan bir şey. Ve daha bir çok karmaşık davranış örünütüsünü

Hücre atlasları, beyin organoidleri ve diğer yöntemlerden elde edilen veriler nihayet asırlık sorulardan birine yanıt veriyor.

Peki, nedir bu şey?

Geçtiğimiz birkaç yıl içinde, insan beynini - ve diğer türlerin beyinlerini - incelemek için kullanılan yeni yöntemler, önemli farklılıkları daha önce hiç olmadığı kadar ayrıntılı bir şekilde ortaya koymaya başladı.

Araştırmacılar artık ürettikleri genleri, RNA'yı ve proteinleri kataloglayarak milyonlarca beyin hücresinin içinde neler olup bittiğine göz atabiliyor. Bilim insanları beyin dokusunu inceleyerek organın nasıl geliştiği ve işlev gördüğü hakkında önemli dersler çıkarıyor.

Bunlardan biri, insan beyin hücreleri ile diğer türlerin beyin hücreleri arasındaki farkların genellikle ince olduğu. Bir diğeri ise insan beyninin diğer hayvanlara kıyasla daha yavaş geliştiği. Ancak bu özelliklerin bilişsel becerilerimizi nasıl ortaya çıkardığı hala bir muamma - her ne kadar araştırmacılar umut verici pek çok ipucuna sahip olsalar da.

Boyut Önemli

Diğer primatların ve hatta bazı soyu tükenmiş insan akrabalarınınkiyle (diğer Homo'lar) karşılaştırıldığında insan beyni hakkında öne çıkan bir şey varsa, o da boyutudur. İnsan beyni hacim olarak şempanze, goril ve soyu tükenmiş birçok insan akrabasının beyninden üç kat daha büyüktür. Bu da çok karmaşık düşünce ve davranış örüntüsünü ortaya çıkarmaktadır. Tam da bu sebepten araştırmak da bir hayli zor görünüyor...

Çoğu hayvanda beyin büyüklüğü vücut büyüklüğü ile sıkı sıkıya ilişkilidir. Ancak insanlar bu kalıbı kırıyor. Beynimiz, vücut ölçülerimiz göz önüne alındığında beklenenden çok daha büyüktür. Bu büyüklüğün fiziksel olmasının dışında bazı farklı sonuçları da var.

Araştırmacılar, bir hayvanın beyninin vücut büyüklüğüne göre beklenenden ne kadar büyük veya küçük olduğuna dair bir fikir edinmek için genellikle ensefalizasyon katsayısı (EQ) adı verilen bir oran kullanırlar. Beynin vücut kütlesine oranı beklentileri karşılıyorsa EQ 1.0'dır.
İşte EQ'larına göre ölçeklendirilmiş beyinleri, gerçek beyin boyutları noktalı çizgilerle gösterilmiştir. Fare beyni, vücut büyüklüğüne göre beklenenin yarısı kadar büyüktür. İnsan beyni beklenen boyutun yedi katından fazladır.
Evrim insan beynini büyütmüş olsa da, bunu tekdüze bir şekilde yapmamıştır: bazı beyin bölgeleri diğerlerinden daha fazla yer kaplamaktadır. Özellikle genişleyen bir bölge, planlama, muhakeme, dil ve insanların üstün olduğu diğer birçok davranışı gerçekleştiren bir alan olan kortekstir. Bu da bizim diğer canlı türlerinden farklı düşünmemizi sağlayan şeylerden biri.

Beynin arka kısmında yer alan ve nöronlarla yoğun bir şekilde dolu olan, hareket ve planlamanın yürütülmesine yardımcı olan beyincik gibi diğer bölgeler de genişlemiştir. Prefrontal korteks hem şempanzelerde hem de insanlarda benzer bir yapıya sahiptir, ancak insan beyninde şempanze beynine göre çok daha fazla yer kaplar. Prefrontal korteks de bizi tam olarak "insan" yapan bölgelerin başında geliyor, bu hayli önemli "ön beyin" devreden çıktığında, davranışlarımızın diğer hayvan türlerinden çok da farklı olmadığını gözlemleyebiliyoruz. 

İnsan beynindeki nöron sayısı ile diğer hayvanlarınki arasında da büyük bir fark vardır. Örneğin insan beyni fare beyninden yaklaşık 1.000 kat, makak beyninden ise 13,5 kat daha fazla nörona sahiptir.

Ancak beyin büyüklüğü ve nöron sayısı her şey değildir; beyinleri memelilerden farklı görünen ve gelişen bazı hayvanlar - kuzgunlar ve karga ailesinin diğer üyeleri gibi - etkileyici bir şekilde öğrenebilir veya hatırlayabilir. Washington DC'deki George Washington Üniversitesi'nde antropolog ve nörobilimci olan Chet Sherwood, “Beyin büyüklüğü tek başına insan bilişini açıklayamaz” diyor.

Özel Tarif
Beyin hücrelerine yakından bakmak bazı ilginç örüntüler ortaya koymuştur. Son beş yıldır, bilim insanlarının tek bir hücrede ifade edilen genleri kataloglamasını sağlayan teknikler, bir beyni oluşturan birçok farklı hücre türünü daha önce elde edilenlerden çok daha yüksek bir ayrıntı düzeyinde ortaya çıkarıyor.

Geçtiğimiz yıl, Washington Seattle'daki Allen Beyin Bilimi Enstitüsü'nden bir ekip, hem fare hem de insan beynindeki hücre tiplerinin şimdiye kadarki en kapsamlı atlaslarını rapor etti. BRAIN Initiative Cell Census Network (BICCN) adı verilen uluslararası bir çabanın parçası olarak, araştırmacılar tüm fare beynini katalogladı ve 5.300 hücre tipi buldu; insan atlası henüz tamamlanmadı ancak şu ana kadar 100 lokasyondan 3.300'den fazla tip içeriyor; araştırmacılar çok daha fazlasını bulmayı umuyor.

Bazı bölgeler farklı hücre tiplerine sahiptir - örneğin, insan görsel korteksi o bölgeye özel birkaç nöron tipi içermektedir. Ancak genel olarak, insana özgü hücre tipleri nadirdir.

İnsan beynindeki hücre tipleri diğer türlerle karşılaştırıldığında genel izlenim benzerlik olduğu yönündedir. Allen Enstitüsü'nde insan, fare ve diğer beyinlerdeki hücreleri kataloglama çalışmalarında yer alan sinirbilimci Ed Lein, “Daha büyük farklılıklar bekliyordum” diyor. “Temel hücresel mimari, daha ince ayrıntılara inene kadar dikkate değer ölçüde korunuyor” diyor.

İnsan beyninin çoğu bölgesi, ortaya çıkan hücre tiplerinin göreceli oranları ve bu hücrelerin genlerini ifade etme şekilleri bakımından primatlardan ve farelerden farklıdır: farklı olan malzemeler değil, tariftir.

Her ikisi de işitsel bilgiyi işleyen insan ve fare korteksinin bu iki karşılaştırılabilir bölgesini ele alalım. Fare bölgesi, aktiviteyi azaltan inhibitör nöronlara göre sinyalleri yayan uyarıcı nöronların daha yüksek bir oranını içerir. İnsan bölgesinde astrositler, oligodendrositler ve mikroglia gibi nöronal olmayan hücrelerin oranı çok daha yüksektir. Bu hücreler nöronları destekler ve ayrıca gelişim sırasında bağlantılarını budamaya ve düzeltmeye yardımcı olur. Bu hücrelerin nöronlara oranı farelerdekinin beş katıdır.

     Farklılıkların sonucu hala net değil, ancak atlaslar, işlevlerini daha iyi anlamak için bu hücreleri ve ifade ettikleri genleri incelemek için bir yol sağlıyor.

Şempanze ile karşılaştırıldığında bile insan nöronları daha uzundur ve birbirleriyle daha fazla bağlantı kurarlar. İçinde yaşadıkları kortikal katmanlar şempanzeninkilerden daha kalındır.

Bağlantı Kurma

Hiçbir nöron bir ada değildir ve oluşturdukları ağlar, çeşitli beyinlere farklı işlevlerini ve uzmanlıklarını veren şeyin büyük bir parçası olabilir.

Bir çalışmada, korteksten alınan fare, makak ve insan beyin örneklerinde toplam 2.000'den fazla beyin hücresi arasındaki 1,6 milyon bağlantı karşılaştırılmıştır. İnsan bağlantı şeması ya da 'connectome', fareye kıyasla 2,5 kat daha fazla internörona (sinirsel aktiviteyi azaltan ve uyarımı kontrol eden bir hücre sınıfı) sahipti ve bu hücreler kendi aralarında on kat daha fazla bağlantı kuruyordu.

Aynı türden diğerlerine bağlanmayı tercih eden özelleşmiş bir grup internöron (bipolar nöronlar, yeşil renkte) farelerde nadirdi ancak insanlarda popülasyonun yarısından fazlasını oluşturacak şekilde genişledi. Çok kutuplu nöronlar olarak adlandırılan ikinci bir internöron sınıfı aynı ölçüde genişlememiştir.
Almanya'nın Frankfurt kentindeki Max Planck Beyin Araştırmaları Enstitüsü'nden çalışma lideri Moritz Helmstaedter bu bulgunun “son derece şaşırtıcı” olduğunu söylüyor. Helmstaedter, bu genişlemiş internöron ağının insan beynindeki önemli bir sorunu çözmeye yardımcı olabileceğini düşünüyor: nöronlar hızlı çalışır ancak düşünceler ve eylemler saniyeler sürer. Daha büyük internöron ağları nöronal aktiviteyi uzatarak beynin daha karmaşık düşünceler üretmesini ve olayları daha uzun süre 'akılda' tutmasını sağlayabilir. Ekip şimdi insan korteksinin daha büyük bölümlerini inceliyor.

Helmstaedter'in konnektom çalışmasının sonuçları genetik çalışmalarla destekleniyor. Türler arasında gen ifadesi karşılaştırıldığında, birçok farklılığın nöronlar arasındaki sinaps adı verilen bağlantıların birbirlerine nasıl bağlandığı ve sinyal verdiği ile ilgili olduğu ortaya çıkıyor.

Allen Enstitüsü'ndeki araştırmacılar tarafından yürütülen bir çalışmada, birkaç yüz gen insanlara özgü ifade kalıpları göstermiştir. Bu uzmanlaşmalar genellikle devre işleviyle ilgiliydi - sinaps oluşturma veya sinyal verme ile ilgiliydiler. Ve genellikle astrositler ve mikroglia gibi nöronal olmayan hücrelerde görülüyorlardı.

 

Yavaş Gelişme
Bazı bilim insanları, insan beyninde basılan bir anahtar pedalın, diğer türlerle aramızdaki birçok farklılığı açıklayabileceğini düşünüyor.

İngiltere'nin Cambridge kentindeki MRC Moleküler Biyoloji Laboratuvarı'nda insan beyninin gelişimi üzerine çalışan sinirbilimci Madeline Lancaster, “Neye bakarsanız bakın, insanlarda daha yavaş gerçekleşiyor” diyor.
Beyin gelişiminin hızı türler arasında çok farklılık gösterse de insanlarda inanılmaz derecede uzundur. Örneğin fare beyni, hayvanın yaşam süresinin yalnızca %5'inde tam olarak gelişmiştir.

Makak ve şempanze beyinleri ise ömürlerinin yaklaşık üçte birinde tamamen gelişmiştir. İnsan beyninin büyümesi, olgunlaşması ve bağlantılarını geliştirmesi çok daha uzun sürer - yaklaşık 30 yıl ya da ortalama ömrümüzün neredeyse yarısı.
Bu yavaş tempo, insanların daha fazla nöron yetiştirmesine ve daha fazla çeşitlilik ve karmaşıklığı teşvik etmesine yardımcı olabilir. Ayrıca beyne çevresi tarafından şekillendirilmesi için daha fazla zaman verir. Araştırmalar, insanlarda nöronlara yol açan hücreler olan nöral progenitörlerin nihai kimliklerini kazanmadan önce daha uzun süre arafta kaldıklarını göstermektedir.

Şempanze nöronları için tipik bir zaman çizelgesi şöyledir: progenitörlerden gelişirler, diğer hücrelere ulaşmak için aksonlar ve dendritler geliştirirler, bu çıkıntılar birbirlerine bağlanmak ve sinyal göndermek için sinapslar geliştirir ve son olarak nöronları yalıtan ve sinyallerin taşınmasına yardımcı olan bir miyelin tabakası geliştirirler.
İnsanlarda aynı süreç daha uzun sürer ve her biri daha fazla bağlantıya sahip daha fazla dendrit yetiştiren nöronlarla sonuçlanır. Aksonlar şempanzelerinkinden daha uzun olabilir çünkü daha fazla yol kat etmeleri gerekir ve sonuçta ortaya çıkan nöronlar daha karmaşıktır.

Birkaç gen varyantı bu yavaşlama ve detaylanma ile ilişkilendirilmiştir. Bunlardan biri sadece insanlarda görülen bir gen duplikasyonudur; fareler aynı duplikasyona sahip olacak şekilde tasarlandığında, daha fazla sinaps geliştirmişler ve öğrenmeleri gelişmiştir.

Bir başka örnek ise korteksin genişlemesiyle bağlantılı olan NOTCH adlı bir proteini kodlayan dizideki bir değişikliktir. Bu değişiklik, insan nöronlarının insan olmayan primatlara kıyasla daha uzun süre çoğalmasına - daha büyük bir yeni nöron havuzuna yol açmasına - izin vermektedir.

 

California San Francisco Üniversitesi'nde insan beyninin evrimi üzerine çalışan genetikçi Alex Pollen, genlerde ve hücrelerde meydana gelen bazı değişikliklerin bizi biz yaptığı şüphesiz olsa da, herhangi bir sonuca varmak için henüz çok erken olduğunu söylüyor. Bazı değişiklikler sadece diğer adaptasyonların yan etkileri olabilir - örneğin, beyin genişlediğinde beyin bölgelerinin hala iletişim kurabilmesi için belirli nöron türlerinde bir artış.

Özel yeteneklerimizin dezavantajları da var. Sherwood, insanların yaşlanma nedeniyle korteksin küçülmesi gibi diğer primatlardan daha ciddi değişikliklere uğradığını söylüyor - kısmen çok daha uzun yaşadığımız için. Ancak en yaşlı büyük maymun beyinlerinin bile yaşla birlikte insan beyni kadar değişmediğini söylüyor. Lancaster, insanlara özgü görünen bazı koşulların karmaşıklık için ödediğimiz bedel olabileceğini söylüyor. “Küçük bir kusur bile daha dramatik sonuçlar doğurabilir” diyor.

Beynimizin bizi nasıl bu kadar konuşkan, sosyal ve zeki yaptığı konusunda keşfedilecek daha çok şey var. Bilim insanları, gen varyantlarının nöronlar ve beyin üzerinde nasıl etkili olduğu; gelişim sırasındaki sinirsel aktivitenin büyümeyi nasıl etkilediği ve beynin korteks dışındaki bölümlerinin insanlara benzersiz becerilerimizi kazandırmak için nasıl değişmiş olabileceği ile ilgileniyor.

Lancaster, teknolojilerin bir araya gelmesinin araştırmacılara klasik bir soruya yeniden bakmaları için enerji verdiğini söylüyor. “Şu anda bilim yaptığım için kendimi şanslı hissediyorum.”

 

Kaynakça

https://www.nature.com/immersive/d41586-024-03425-y/index.html