Yeni araç, öğrendiğimizde beyinde neler olduğunu ortaya koyuyor

Scripps Research’teki bilim adamları, beyin plastisitesini izlemek için yeni bir araç geliştirdiler – bir film izlemekten yeni bir şarkı veya dil öğrenmeye kadar bir şeyler öğrenirken ve deneyimlerken beynimizin yeniden şekillenme ve fiziksel olarak uyum sağlama şekli. Bireysel beyin hücreleri tarafından üretilen proteinleri ölçen yaklaşımları, hem beynin nasıl çalıştığıyla ilgili temel soruları yanıtlama, hem de plastisitenin ters gittiği sayısız beyin hastalığına ışık tutma potansiyeline sahip.

Birkaç laboratuvarda yapılan önceki deneyler, beyin aktivitesinin, plastisitede erken bir adım olan nöronlardaki gen ekspresyonundaki değişiklikleri nasıl teşvik ettiğini zaten ortaya koydu. Takımın deneyleri, açıklanan Nörobilim Dergisi 7 Eylül’de, plastisitedeki bir sonraki temel adıma, genetik kodun proteinlere çevrilmesine odaklanın.

Hahn Profesörü ve Bilimler Akademisi Başkanı Hollis Cline, “Beynimizdeki hücrelerin deneyimlere tepki olarak nasıl değiştiğinin altında yatan tüm mekanizmaları hala anlamıyoruz, ancak bu yaklaşım bize sürece yeni bir pencere açıyor” diyor. Scripps Research’te Nörobilim ve yeni çalışmanın kıdemli yazarı.

Yeni bir şey öğrendiğinizde iki şey olur: Birincisi, nöronlar beyninizdeki yeni yollar boyunca elektrik sinyallerini anında iletir. Sonra zamanla bu, hücrelerin fiziksel yapısında ve beyindeki bağlantılarında değişikliklere yol açar. Ancak bilim adamları uzun süredir bu iki adım arasında ne olduğunu merak ediyor. Nöronlardaki bu elektriksel aktivite nihayetinde beyni daha kalıcı şekillerde değişmeye nasıl ikna ediyor? Dahası, bu plastisite yaşla ve bazı hastalıklarla nasıl ve neden azalır?

Daha önce araştırmacılar, plastisite hakkında fikir edinmeyi umarak, beyin aktivitesine yanıt olarak nöronlardaki genlerin nasıl açılıp kapandığını incelediler. Yüksek verimli gen dizileme teknolojilerinin ortaya çıkmasıyla birlikte, genleri bu şekilde izlemek nispeten kolay hale geldi. Ancak bu genlerin çoğu, seviyelerinin izlenmesi daha zor olan hücrelerin gerçek beygirleri olan proteinleri kodlar. Ancak Cline, Scripps profesörü John Yates III, Ph.D. ve doçent Anton Maximov, Ph.D. ile yakın işbirliği içinde, beyindeki proteinlerin nasıl değiştiğine doğrudan bakmak istedi.

Cline, “Havuzun derin ucuna atlamak ve beyin plastisitesi için hangi proteinlerin önemli olduğunu görmek istedik” diyor.

Ekip, proteinlerin yapı taşlarından biri olan özel olarak etiketlenmiş bir amino asidi aynı anda bir tür nörona sokabilecekleri bir sistem tasarladı. Hücreler yeni proteinler ürettikçe, bu amino asit olan azidonorlösin’i yapılarına dahil edeceklerdi. Araştırmacılar, zaman içinde hangi proteinlerin azidonorlösini içerdiğini izleyerek yeni yapılmış proteinleri izleyebilir ve bunları önceden var olan proteinlerden ayırt edebilir.

Cline’ın grubu, çevremizdeki dünyayı deneyimlediğimizde daha küçük bir ölçekte olanları taklit ederek, beyin aktivitesinde büyük ve yaygın bir artış yaşadıktan sonra hangi proteinlerin yapıldığını izlemek için azidonorlösini kullandı. Ekip, duyusal bilgilerin işlenmesinden sorumlu ana beyin hücresi sınıfı olan kortikal glutamaterjik nöronlara odaklandı.

Sinirsel aktivitedeki artışın ardından araştırmacılar, nöronlarda değişen 300 farklı proteinin seviyelerini keşfettiler. Beyin aktivitesindeki artış sırasında üçte ikisi artarken, kalan üçte birinin sentezi azaldı. Cline ve meslektaşları, bu “aday plastisite proteinlerinin” rollerini analiz ederek, plastisiteyi nasıl etkileyebileceklerine dair genel bir fikir edinmeyi başardılar. Proteinlerin çoğu, örneğin nöronların yapısı ve şekliyle ve diğer hücrelerle nasıl iletişim kurduklarıyla ilgilidir. Bu proteinler, beyin aktivitesinin hücreler arasındaki bağlantıları hemen etkilemeye başlayabileceği yollar önerdi.

Ek olarak, bazı proteinler DNA’nın hücre içinde nasıl paketlendiğiyle ilgiliydi; bu paketin değiştirilmesi, bir hücrenin uzun bir süre boyunca hangi genlere erişebileceğini ve kullanabileceğini değiştirebilir. Bu, beyin aktivitesindeki çok kısa bir artışın beyinde daha uzun süreli yeniden şekillenmeye yol açabileceğini gösteriyor.

Cline, “Bu, beyin aktivitesindeki bir değişikliğin günlerce gen ekspresyonu dalgalarına yol açabileceği açık bir mekanizmadır” diyor.

Araştırmacılar, örneğin hayvanlar yeni bir görsel uyaran gördükten sonra farklı beyin hücrelerinde değişebilenler gibi ek aday plastisite proteinlerini keşfetmek ve incelemek için bu yöntemi kullanmayı umuyorlar. Cline, araçlarının ayrıca, beyin aktivitesinin genç ve yaşlı ve sağlıklı ve hastalıklı beyinlerde protein üretimini nasıl etkilediğini karşılaştırarak beyin hastalıkları ve yaşlanma hakkında fikir sunabileceğini söylüyor.

Cline, Yates ve Maximov’a ek olarak, çalışmanın yazarları arasında Lucio Schiapparelli, Yi Xie, Pranav Sharma, Daniel McClatchy ve Scripps Research’ten Yuanhui Ma yer alıyor.

---