Aksolotllar beyinlerini yenileyebilir, beyin evrimi ve yenilenmesinin sırlarını açığa çıkarabilirler.

Aksolotl (Ambystoma mexicanum), omuriliğini, kalbini ve uzuvlarını yenileme yeteneği ile tanınan suda yaşayan bir semenderdir. Bu amfibiler ayrıca yaşamları boyunca kolayca yeni nöronlar yaparlar. 1964’te araştırmacılar, yetişkin aksolotların, büyük bir bölüm tamamen çıkarılsa bile beyinlerinin bölümlerini yenileyebildiğini gözlemlediler. Ancak bir çalışma, aksolotl beyin rejenerasyonunun orijinal doku yapısını yeniden oluşturma konusunda sınırlı bir yeteneğe sahip olduğunu buldu.

Peki aksolotllar yaralanmadan sonra beyinlerini ne kadar mükemmel bir şekilde yenileyebilir?

Hücresel düzeyde rejenerasyonu inceleyen bir araştırmacı olarak, ben ve ETH Zürih’teki Treutlein Laboratuvarı’ndaki ve Viyana’daki Moleküler Patoloji Enstitüsü’ndeki Tanaka Laboratuvarı’ndaki meslektaşlarım, aksolotlların beyinlerindeki tüm farklı hücre tiplerini yenileyip üretemeyeceğini merak ettik. bir beyin bölgesini diğerine bağlayan bağlantılar. Yakın zamanda yayınlanan çalışmamızda, aksolotl beyninin bir parçasını oluşturan hücrelerin bir atlasını oluşturarak hem beynin yenilenme biçimine hem de türler arası beyin evrimine ışık tuttuk.

Neden hücrelere bakıyorsunuz?

Farklı hücre türlerinin farklı işlevleri vardır. Her biri farklı genleri ifade ettikleri için belirli rollerde uzmanlaşabilirler. Beyinde ne tür hücrelerin olduğunu ve ne yaptıklarını anlamak, beynin nasıl çalıştığına dair genel resmi netleştirmeye yardımcı olur. Ayrıca araştırmacıların evrim arasında karşılaştırmalar yapmasına ve türler arasında biyolojik eğilimleri bulmaya çalışmasına olanak tanır.

Hangi hücrelerin hangi genleri ifade ettiğini anlamanın bir yolu, tek hücreli RNA dizilimi (scRNA-seq) adı verilen bir teknik kullanmaktır. Bu araç, araştırmacıların belirli bir örneğin her hücresindeki aktif genlerin sayısını saymalarını sağlar. Bu, her hücrenin toplandığında yaptığı etkinliklerin “anlık görüntüsünü” sağlar.

Bu araç, hayvanların beyinlerinde bulunan hücre tiplerini anlamada etkili olmuştur. Bilim adamları scRNA-seq’i balıklarda, sürüngenlerde, farelerde ve hatta insanlarda kullandılar. Ancak beyin evrimi bulmacasının önemli bir parçası eksik: amfibiler.

Aksolotl beynini haritalamak

Ekibimiz axolotl’un telensefalonuna odaklanmaya karar verdi. İnsanlarda telensefalon beynin en büyük bölümüdür ve neokorteks adı verilen ve hayvan davranışı ve bilişinde önemli bir rol oynayan bir bölge içerir. Son evrim boyunca, neokorteks, diğer beyin bölgelerine kıyasla büyük ölçüde büyümüştür. Benzer şekilde, genel olarak telensefalonu oluşturan hücre türleri, zaman içinde oldukça çeşitlenmiş ve karmaşık bir şekilde büyümüştür, bu da bu bölgeyi incelemek için ilgi çekici bir alan haline getirmiştir.

Aksolotl telensefalonunu oluşturan farklı tipte nöronlar ve progenitör hücreler veya daha fazla kendilerine bölünebilen veya diğer hücre tiplerine dönüşebilen hücreler dahil olmak üzere farklı hücre tiplerini tanımlamak için scRNA-seq kullandık. Progenitör hücreler nöron haline geldiğinde hangi genlerin aktif olduğunu belirledik ve birçoğunun, olgun nöronlar olmadan önce nöroblastlar adı verilen (daha önce aksolotllarda var olduğu bilinmeyen) bir ara hücre tipinden geçtiğini bulduk.

Daha sonra telensefalonlarının bir bölümünü çıkararak aksolotl rejenerasyonunu teste tabi tuttuk. Özel bir scRNA-seq yöntemi kullanarak, yaralanmadan bir ila 12 hafta sonra rejenerasyonun farklı aşamalarında tüm yeni hücreleri yakalayıp sıralayabildik. Sonunda, kaldırılan tüm hücre türlerinin tamamen restore edildiğini gördük.

Beyin yenilenmesinin üç ana aşamada gerçekleştiğini gözlemledik. İlk aşama, progenitör hücrelerin sayısında hızlı bir artışla başlar ve bu hücrelerin küçük bir kısmı bir yara iyileşme sürecini aktive eder. İkinci aşamada, progenitör hücreler nöroblastlara farklılaşmaya başlar. Son olarak, üçüncü aşamada, nöroblastlar, orijinal olarak kaybolan nöronların aynı tiplerine farklılaşır.

Şaşırtıcı bir şekilde, çıkarılan alan ile beynin diğer alanları arasındaki kopmuş nöronal bağlantıların yeniden bağlandığını da gözlemledik. Bu yeniden kablolama, yenilenen alanın da orijinal işlevini geri kazandığını gösterir.

Amfibiler ve insan beyni

Amfibileri evrimsel bulmacaya eklemek, araştırmacıların beynin ve hücre tiplerinin zaman içinde nasıl değiştiğini ve rejenerasyonun arkasındaki mekanizmaları anlamalarına olanak tanır.

Aksolotl verilerimizi diğer türlerle karşılaştırdığımızda, telensefalonlarındaki hücrelerin, beynin hafıza oluşumuyla ilgili bölgesi olan memeli hipokampüsüne ve beynin duyularla ilgili bölgesi olan koku alma korteksine güçlü benzerlik gösterdiğini bulduk. koku. Hatta bir aksolotl hücre tipinde, beynin insanlarda algı, düşünce ve uzamsal akıl yürütme ile bilinen alanı olan neokorteks ile bazı benzerlikler bulduk. Bu benzerlikler, beynin bu bölgelerinin evrimsel olarak korunabileceğini veya evrim boyunca karşılaştırılabilir kalabileceğini ve memelilerin neokorteksinin amfibilerin telensefalonunda bir ata hücre tipine sahip olabileceğini göstermektedir.

Çalışmamız, hangi genlerin dahil olduğu ve hücrelerin nihayetinde nasıl nöron haline geldiği dahil olmak üzere beyin yenilenme sürecine ışık tutsa da, bu süreci hangi dış sinyallerin başlattığını hala bilmiyoruz. Ayrıca, tanımladığımız süreçlerin fareler veya insanlar gibi daha sonra evrimleşen hayvanlar tarafından hala erişilebilir olup olmadığını bilmiyoruz.

Ama beyin evrimi bulmacasını tek başımıza çözmüyoruz. Columbia Üniversitesi’ndeki Tosches Laboratuvarı, başka bir semender türü olan Pleurodeles waltl’deki hücre tiplerinin çeşitliliğini araştırırken, Çin’deki Guangdong Tıp Bilimleri Akademisi’ndeki Fei laboratuvarı ve yaşam bilimleri şirketi BGI’deki işbirlikçiler, hücre tiplerinin uzaysal olarak nasıl düzenlendiğini araştırdı. aksolotl ön beyin.

Aksolotl beynindeki tüm hücre tiplerini tanımlamak, rejeneratif tıpta yenilikçi araştırmaların önünü açmaya da yardımcı olur. Farelerin ve insanların beyinleri, kendilerini onarma veya yenileme kapasitelerini büyük ölçüde yitirmiştir. Şiddetli beyin hasarına yönelik tıbbi müdahaleler şu anda onarımı hızlandırmak veya desteklemek için ilaç ve kök hücre tedavilerine odaklanmaktadır. Aksolotların neredeyse mükemmel rejenerasyon gerçekleştirmesine izin veren genleri ve hücre tiplerini incelemek, ciddi yaralanmalara yönelik tedavileri iyileştirmenin ve insanlarda rejenerasyon potansiyelini ortaya çıkarmanın anahtarı olabilir.

---