İnsan ve Diğer Memelilerin Nöronları Arasında Çarpıcı Farklar Keşfedildi!

Nöronlar, potasyum ve sodyum gibi iyonların akışını kontrol eden iyon kanalları tarafından üretilen elektriksel atımlar yoluyla birbirleriyle iletişim kurar. Şaşırtıcı yeni bir çalışmada, MIT'den nörobilimciler, insan nöronlarının, diğer memelilerin nöronlarına kıyasla, bu kanala beklenenden çok daha az sayıda sahip olduğunu gösterdi.

Araştırmacılar, kanal yoğunluğundaki bu azalmanın, insan beyninin daha verimli çalışacak şekilde gelişmesine yardımcı olabileceğini ve kaynakları, karmaşık bilişsel görevleri yerine getirmek için gerekli olan diğer enerji yoğun süreçlere yönlendirmesine izin vermiş olabileceğini düşünüyorlar. MIT'nin McGovern Beyin Araştırmaları Enstitüsü'nün bir üyesi olan beyin ve bilişsel bilimler doçenti Mark Harnett şöyle diyor:

Beyin, iyon kanallarının yoğunluğunu azaltarak enerji tasarrufu yapabiliyorsa, bu enerjiyi diğer nöronal veya devre süreçlerine harcayabilir.

Harnett ve meslektaşları, türünün en kapsamlı elektrofizyolojik çalışması olan 10 farklı memeliden alınan nöronları analiz ettiler ve insanlar dışında baktıkları her tür için geçerli olan bir "inşa planı" belirlediler. Nöronların boyutu arttıkça nöronlarda bulunan kanalların yoğunluğunun da arttığını buldular. Ancak insan nöronlarının bu kuralın çarpıcı bir istisnası olduğu kanıtlandı. Eski MIT yüksek lisans öğrencisi Lou Beaulieu-Laroche,

Önceki karşılaştırmalı araştırmalar, insan beyninin diğer memeli beyinleri gibi inşa edildiğini ortaya koydu, bu yüzden insan nöronlarının özel olduğuna dair güçlü kanıtlar bulmak bizi şaşırttı.

Bir Yapı Planı

Memeli beynindeki nöronlar, diğer binlerce hücreden elektrik sinyalleri alabilir ve bu girdi, "aksiyon potansiyeli" adı verilen bir elektrik atımını ateşleyip ateşlemeyeceklerini belirler. 2018'de Harnett ve Beaulieu-Laroche, insan ve sıçan nöronlarının bazı elektriksel özelliklerinde, özellikle de nöronun dendrit adı verilen bölümlerinde, diğer hücrelerden girdi alan ve işleyen ağaç benzeri antenlerde farklılık gösterdiğini keşfettiler.

Bu çalışmadan elde edilen bulgulardan biri, insan nöronlarının, sıçan beynindeki nöronlardan daha düşük iyon kanalları yoğunluğuna sahip olmasıydı. Araştırmacılar, iyon kanalı yoğunluğunun genellikle türler arasında sabit olduğu varsayıldığından, bu gözlem karşısında şaşırdılar. Yeni çalışmalarında Harnett ve Beaulieu-Laroche, iyon kanallarının ifadesini yöneten herhangi bir model bulup bulamayacaklarını görmek için birkaç farklı memeli türünden nöronları karşılaştırmaya karar verdiler. İki tip voltaj kapılı potasyum kanalı ve beynin korteksinde bulunan bir tür uyarıcı nöron olan katman 5 piramidal nöronlarda hem potasyum hem de sodyum ileten HCN kanalını incelediler.

10 memeli türünden beyin dokusu elde edebildiler: Etrüsk sivri fareleri (bilinen en küçük memelilerden biri), gerbiller, fareler, sıçanlar, Gine domuzları, yaban gelinciği, tavşanlar, marmosetler ve makakların yanı sıra beyin ameliyatı sırasında hastalardan alınan insan dokusu... Bu çeşitlilik, araştırmacıların memeli krallığında bir dizi kortikal kalınlık ve nöron boyutunu kapsamasına izin verdi.

Araştırmacılar, inceledikleri hemen hemen her memeli türünde, nöronların boyutu arttıkça iyon kanallarının yoğunluğunun arttığını buldular. Bu modelin tek istisnası, beklenenden çok daha düşük iyon kanalları yoğunluğuna sahip olan insan nöronlarındaydı. Harnett, şöyle diyor:

Türler arasında kanal yoğunluğundaki artış şaşırtıcı, çünkü ne kadar çok kanal varsa, iyonları hücrenin içine ve dışına pompalamak için o kadar fazla enerji gerekiyor. Ancak, araştırmacılar korteksin genel hacmindeki kanalların sayısı hakkında düşünmeye başlayınca bu mantıklı gelmeye başladı.

Etrüsk faresinin çok küçük nöronlarla dolu minik beyninde, belirli bir doku hacminde, çok daha büyük nöronlara sahip tavşan beynindeki aynı hacimdeki dokudan daha fazla nöron vardır. Ancak tavşan nöronları daha yüksek iyon kanalları yoğunluğuna sahip olduğundan, belirli bir doku hacmindeki kanalların yoğunluğu, her iki türde veya araştırmacıların analiz ettiği insan olmayan türlerin herhangi birinde aynıdır. Harnett, şöyle diyor:

Bu yapı planı, dokuz farklı memeli türünde tutarlıdır. Korteksin yapmaya çalıştığı şey, birim hacim başına iyon kanallarının sayısını tüm türlerde aynı tutmak. Bu, belirli bir korteks hacmi için, en azından iyon kanalları için enerji maliyetinin aynı olduğu anlamına gelir.

Enerji Verimliliği

Ancak insan beyni, bu bina planından çarpıcı bir sapmayı temsil ediyor. Araştırmacılar, iyon kanallarının yoğunluğunun artması yerine, belirli bir beyin dokusu hacmi için beklenen iyon kanallarının yoğunluğunda çarpıcı bir düşüş buldular.

Araştırmacılar, bu düşük yoğunluğun, iyonları pompalamak için daha az enerji harcamanın bir yolu olarak evrimleşmiş olabileceğine inanıyor, bu da beynin bu enerjiyi nöronlar arasında daha karmaşık sinaptik bağlantılar oluşturmak veya daha yüksek oranda aksiyon potansiyellerini ateşlemek gibi başka bir şey için kullanmasına izin veriyor. Harnett, şöyle diyor:

İnsanların daha önce korteks boyutunu sınırlayan bu yapı planından evrimleştiğini ve enerjik olarak daha verimli hale gelmenin bir yolunu bulduklarını düşünüyoruz, böylece diğer türlere kıyasla hacim başına daha az ATP harcıyorsunuz.

Şimdi bu ekstra enerjinin nereye gidebileceğini ve insan korteksindeki nöronların bu yüksek verimliliğe ulaşmasına yardımcı olan spesifik gen mutasyonlarının olup olmadığını araştırmayı umuyor. Araştırmacılar ayrıca, insanlarla daha yakından ilişkili olan primat türlerinin iyon kanalı yoğunluğunda benzer düşüşler gösterip göstermediğini araştırmakla da ilgileniyorlar.