Beyin, iç organlardan gelen duyusal bilgileri nasıl işler?

Yine de tarihsel olarak, beyin iç organlardan girdi aldığında ve bunları yorumladığında ortaya çıkan bu temel bedensel duyumları (iç duyular olarak da bilinir) anlamaya yönelik çok az araştırma yapılmıştır.

Şimdi, Harvard Tıp Okulu’ndaki araştırmacılar tarafından yönetilen bir ekip, vücuttaki hücreler arasında karmaşık bir iletişim dizisini içeren iç organ algılamasının temel biyolojisini anlamada yeni adımlar attı.

Farelerde yürütülen ve 31 Ağustos’ta yayınlanan bir çalışmada Doğaekip, beyin sapındaki nöronların iç organlardan gelen geri bildirimlere nasıl tepki verdiğine dair uzamsal haritaları ortaya çıkarmak için yüksek çözünürlüklü görüntüleme kullandı.

Farklı organlardan gelen geri bildirimin, bu bilginin doğada mekanik veya kimyasal olup olmadığına bakılmaksızın, ayrı nöron kümelerini harekete geçirdiğini ve farklı organları temsil eden bu nöron gruplarının beyin sapında topografik olarak düzenlendiğini buldular. Dahası, beyindeki inhibisyonun, nöronların organlara seçici olarak yanıt vermesinde önemli bir rol oynadığını keşfettiler.

HMS’de hücre biyolojisi araştırma görevlisi olan baş yazar Chen Ran, “Çalışmamız, beyin sapında farklı iç organların nasıl temsil edildiğinin temel ilkelerini ortaya koyuyor” dedi.

Araştırma, iç organların beyinle nasıl iletişim kurduğunu aydınlatmada yalnızca ilk adımdır. Bununla birlikte, bulgular insanlar da dahil olmak üzere diğer türlerde doğrulanırsa, bilim adamlarının yeme bozuklukları, aşırı aktif mesane, diyabet, akciğer bozuklukları ve iç algılama ters gittiğinde ortaya çıkan hipertansiyon gibi hastalıklar için daha iyi terapötik stratejiler geliştirmelerine yardımcı olabilir.

HMS Blavatnik Enstitüsü’nde hücre biyolojisi profesörü ve Howard Hughes Tıp Enstitüsü’nde araştırmacı olan kıdemli yazar Stephen Liberles, “Duyusal girdilerin beyin tarafından nasıl kodlandığını anlamak, beynin nasıl çalıştığının en büyük gizemlerinden biri” dedi. “Beynin algıları oluşturmak ve davranışları uyandırmak için nasıl çalıştığını anlama yolunda ilerlemeler sağlıyor.”

Az çalışılmış ve yeterince anlaşılmamış

Bilim adamları, neredeyse bir yüzyıldır, dünyayı yönlendirmek için kullandığımız temel görme, koku, işitme, tat ve dokunma duyularını oluşturmak için beynin dış bilgileri nasıl işlediğini araştırıyorlar. Zamanla, beyindeki çeşitli duyusal alanların farklı uyaranları temsil edecek şekilde nasıl düzenlendiğini göstermek için bulgularını derlediler.

Örneğin, 1900’lerin ortalarında, dokunma üzerine yapılan araştırmalar, bilim adamlarını somatosensoriyel sistem için kortikal homunculus’u geliştirmeye yöneltti – bu, beynin yüzeyi üzerine örtülmüş karikatürümsü vücut parçalarını gösteren bir çizim, her bir parça, bulunduğu konumla aynı hizaya gelecek şekilde konumlandırıldı. hassasiyete göre işlenir ve ölçeğe göre çizilir. 1981’de Harvard profesörleri David Hubel ve Torsten Wiesel, görsel uyaranlara yanıt veren tek tek nöronların elektriksel aktivitesini kaydederek beynin görsel korteksinin sistematik olarak haritasını çıkardıkları görme üzerine araştırmaları için Nobel Ödülü kazandı. 2004’te başka bir bilim insanı çifti, yüzlerce koku alıcısını tanımladıkları ve koku girdilerinin burun ve beyinde tam olarak nasıl düzenlendiğini ortaya koydukları koku alma sistemi üzerine yaptıkları çalışmaları nedeniyle Nobel Ödülü kazandı.

Ancak şimdiye kadar beynin açlık, tokluk, susuzluk, mide bulantısı, ağrı, nefes alma, nabız ve kan basıncı gibi temel fizyolojik işlevleri düzenlemek için iç organlardan gelen geri bildirimleri algıladığı ve düzenlediği süreç gizemli kaldı.

Liberles, “Beynin vücuttan girdileri nasıl aldığı ve bu girdileri nasıl işlediği büyük ölçüde az çalışılmış ve yeterince anlaşılmamıştır.” Dedi.

Ran, bunun belki de dahili algılamanın harici algılamadan daha karmaşık olmasından kaynaklandığını ekledi. Dış duyular, diye açıkladı, bilgiyi tek bir formatta alma eğilimindeydi. Örneğin görme, tamamen ışığın algılanmasına dayanır.

Buna karşılık, iç organlar bilgiyi mekanik kuvvetler, hormonlar, besinler, toksinler, sıcaklık ve daha fazlası aracılığıyla iletir – bunların her biri birden fazla organ üzerinde etkili olabilir ve birden fazla fizyolojik tepkiye dönüşebilir. Örneğin mekanik gerilme, mesanede meydana geldiğinde idrara çıkma ihtiyacına işaret eder, ancak midede meydana geldiğinde doygunluğa dönüşür ve akciğerlerde solumayı durdurmak için bir refleksi tetikler.

nöronların bir takımyıldızı

Yeni çalışmalarında, Liberles, Ran ve meslektaşları, soliter yolun çekirdeği veya NTS olarak adlandırılan bir beyin sapı bölgesine odaklandılar.

NTS’nin vagus siniri yoluyla iç organlardan duyusal bilgi aldığı bilinmektedir. Bu bilgiyi, fizyolojik tepkileri düzenleyen ve davranışlar üreten üst düzey beyin bölgelerine iletir. Bu şekilde NTS, beyin için dahili bir duyusal ağ geçidi görevi görür.

Araştırmacılar, nöronal aktivite için bir vekil olarak beyindeki bireysel nöronlardaki kalsiyum seviyelerini ölçen iki fotonlu kalsiyum görüntüleme adı verilen güçlü bir teknik kullandılar.

Ekip, bu tekniği farklı iç organ uyaranlarına maruz kalan farelere uyguladı ve zaman içinde NTS’deki binlerce nöronun yanıtlarını aynı anda kaydetmek için bir mikroskop kullandı. Ortaya çıkan videolar, gece gökyüzünde yanıp sönen yıldızlar gibi, NTS boyunca aydınlanan nöronları gösteriyor.

Ran, “Tek bir zaman noktasında küçük bir nöron grubunu kaydetmek için bir elektrot yerleştirmeyi içeren geleneksel görüntüleme teknikleri, “bir seferde yalnızca birkaç pikseli görmek gibidir” dedi. “Tekniğimiz, tüm görüntüyü yüksek çözünürlükte ortaya çıkarmak için tüm pikselleri bir kerede görmek gibidir.”

Ekip, farklı iç organlardaki uyaranların – örneğin mideye karşı gırtlak – genellikle NTS’deki farklı nöron kümelerini aktive ettiğini keşfetti. Buna karşılık, araştırmacılar aynı organda genellikle aynı fizyolojik yanıtı (öksürme veya doyma gibi) uyandıran mekanik ve kimyasal uyaranların beyin sapındaki örtüşen nöronları aktive ettiği birkaç vaka belirlediler. Bu bulgular, belirli nöron gruplarının belirli organları temsil etmeye adanmış olabileceğini düşündürmektedir.

Dahası, araştırmacılar, NTS’deki yanıtların, on yıllar önce geliştirilen benzer kortikal homunculus’a bir selam olarak “visseral homunculus” olarak adlandırdıkları uzamsal bir harita olarak düzenlendiğini buldular.

Son olarak, bilim adamları, iç organlardan beyin sapına sinyal vermenin nöronların inhibisyonunu gerektirdiğini belirlediler. İnhibisyonu engellemek için ilaçlar kullandıklarında, beyin sapındaki nöronlar, önceki seçiciliklerini kaybederek birden fazla organa yanıt vermeye başladı.

Ran, çalışmanın “beyindeki iç duyuların kodlanmasının sistematik olarak incelenmesi” için temel oluşturduğunu söyledi.

Gelecek için bir temel

Bulgular, bazıları HMS ekibinin ele almak istediği birçok yeni soruyu gündeme getiriyor.

Ran, beyin sapının iç duyusal bilgiyi açlık, ağrı veya susuzluk gibi sonuçta ortaya çıkan duyumları üreten daha yüksek dereceli beyin bölgelerine nasıl ilettiğini araştırmakla ilgileniyor.

Liberles, iç algılama sisteminin moleküler düzeyde nasıl çalıştığını keşfetmek istiyor. Özellikle, organlardaki mekanik ve kimyasal uyaranları tespit eden birincil duyu reseptörlerini belirlemek istiyor.

Gelecekteki araştırmalar için başka bir alan, sistemin embriyonik gelişim sırasında nasıl kurulduğudur. Liberles, yeni bulguların tek başına nöron tipine bakmanın yeterli olmadığını öne sürdüğünü söyledi; Araştırmacılar ayrıca nöronların beyinde nerede bulunduğunu da düşünmelidir.

“Devrelerin nasıl bağlandığını ve farklı hücre türlerinin farklı devreler bağlamında ne yaptığını anlamak için nöron türleri ve konumları arasındaki etkileşimi incelememiz gerekiyor” dedi.

Liberles, bulguların insanlar dahil diğer hayvanlara ne kadar genelleştirilebilir olduğuyla da ilgileniyor. Türler arasında birçok duyusal yol korunurken, önemli evrimsel farklılıklar da olduğunu belirtti. Örneğin, bazı hayvanlar öksürme veya kusma gibi temel davranışlar sergilemezler.

İnsanlarda doğrulanırsa, araştırma bulguları nihayetinde iç duyu sistemi arızalandığında ortaya çıkan hastalıklar için daha iyi tedavilerin geliştirilmesi konusunda bilgi verebilir.

Ran, “Çoğu zaman bu hastalıklar, beynin iç organlardan anormal geri bildirim alması nedeniyle ortaya çıkar” dedi. “Bu sinyallerin beyinde nasıl farklı şekilde kodlandığına dair iyi bir fikrimiz varsa, bir gün bu sistemi nasıl ele geçireceğimizi ve normal işlevi nasıl geri getireceğimizi anlayabiliriz.”

Ek yazarlar arasında HMS’den Jack Boettcher, Judith Kaye ve Catherine Gallori bulunmaktadır.

Çalışma, Ulusal Sağlık Enstitüleri (DP1AT009497; R01DK122976; R01DK103703), Gıda Alerjisi Bilim Girişimi, Leonard ve Isabelle Goldenson Doktora Sonrası Bursu, Harvard Beyin Bilimi Girişimi ve Amerikan Diyabet Derneği tarafından desteklenmiştir.