Minnesota Üniversitesi’nde sinirbilimci ve emekli doçent olan Dr. Martin Wessendorf, beyin sapının omurilikteki nöronları nasıl düzenlediğini inceliyor. Daniel Wang ise bilişsel sinirbilim ve nörodejeneratif hastalıklar konusunda uzmanlaşmıştır. Birlikte, beynin çapraz bağlantılarının evrimsel kökenlerini incelediler.

Frontiers in Neuroanatomy dergisinde yayınlanan bir çalışmada , araştırmacılar dört uzuvlu hayvanlarda çapraz bağlantılı (yani beynin bir tarafı vücudun karşı tarafıyla bağlantılı) birkaç sinir devresini inceliyorlar. Hipotezleri, bu bağlantıların evrimin eski bir görsel sistemin etrafında yeni beyin devreleri oluşturması nedeniyle gelişmiş olabileceğini öne sürüyor.

Beyin, merkezi sinir sisteminin bir tarafından diğerine uzanan çok sayıda yol içerir. Bu karşıt taraflı (orta çizgiyi geçen) bağlantıların neden var olduğunu anlamak, farklı duyusal ve hareket devrelerinin evrimsel süreçte nasıl geliştiğini incelemeyi gerektirir.

Beyin Görsel Bilgileri Nasıl İşliyor?

Olası bir açıklama gözlerle başlar. Işık göz merceğinden geçerken, retinaya yansıyan görüntü tersine çevrilir. Sağımızda görünen nesneler retinanın sol tarafına, solumuzda görünen nesneler ise sağ tarafına yansıtılır.

Görsel bilgi, optik sinir boyunca optik kiazma adı verilen bir yapıya ulaşır. Burada, sinir lifleri öyle düzenlenmiştir ki, sağ görsel alandan gelen bilgi beynin sol tarafına ulaşırken, sol görsel alandan gelen bilgi sağ tarafa yönlendirilir.

Bu sinyallerin bazıları, optik tektum (memelilerde superior colliculus olarak adlandırılır) adı verilen eski bir beyin yapısına ulaşır. Beyin sapında bulunan bu bölge, yakındaki bir şeyin hareket ettiğini aniden fark etmek gibi görsel olaylara hızlı tepkiler verilmesine yardımcı olur.

Optik tektumun her iki tarafında da karşıt görme alanının bir temsili bulunur. Yapının daha derinlerinde, fiziksel duyumlarla ilgili bilgiler (somatosensoriyel bilgiler) de karşılık gelen haritalar halinde düzenlenmiştir.

Optik tektum her omurgalı türünde bulunduğu için, omurgalı sinir sisteminin en eski yapılarından biri olarak kabul edilir. Erken ortaya çıkışı, diğer birçok sinir yolunun neden iki taraf arasında geçiş yaptığını anlamak için özellikle önemli olabilir.

Duyusal Sinyaller Neden Beyin ve Omurilikten Geçer?

Araştırmacılar ayrıca vücuttan beyne duyuları iletmekten sorumlu iki ana yolu da incelediler. Her ikisi de merkezi sinir sisteminin (beyin ve omurilik) merkezinden geçiyor ve her ikisinin de dört uzuvlu hayvanlar (memeliler, kuşlar, sürüngenler ve amfibiler dahil) arasında yaygın olduğu görülüyor.

İlki, dorsal kolon yolu olarak adlandırılan yol, hafif dokunma, titreşim ve farklı vücut parçalarının pozisyonu hakkında bilgi taşır. Uzuvlardan ve gövdeden gelen sinyaller, omuriliğin dorsal kısmından yukarı doğru ilerleyerek, omuriliğin hemen üzerindeki beyin sapındaki başka bir nörona ulaşır. Oradan, yol karşı tarafa geçer.

Balıklarda bu yol bulunmamasına rağmen, bilim insanları bunu amfibilerde, sürüngenlerde, kuşlarda ve memelilerde tespit etmişlerdir. Bu büyük hayvan gruplarında bulunması, bu düzenlemenin dört ayaklıların evriminin erken dönemlerinde ortaya çıktığını ve büyük ölçüde korunduğunu göstermektedir.

Spinotalamik yol olarak bilinen ikinci yol, ağrı, kaşıntı ve bazı dokunma türleriyle ilgili duyuları iletir. Dorsal kolon yolundan farklı olarak, omuriliğin içinde karşı tarafa geçer.

Sinyaller, geçişten sonra, duyusal ve hareket bilgilerinin işlenmesinde merkezi bir rol oynayan, beyin sapının üstünde yer alan bir beyin bölgesi olan talamusa doğru yukarı doğru ilerler.

Bu çapraz düzenleme kuşlarda, memelilerde ve sürüngenlerde bulunur. Ayrıca köpekbalıkları ve vatozlar da dahil olmak üzere bazı kıkırdaklı balıklarda da görülür; bu da bu organizasyonun bazı yönlerinin daha derin evrimsel köklere sahip olduğunu düşündürmektedir.

Beyin Vücuttaki Hareketleri Nasıl Kontrol Ediyor?

Sinir sisteminin çapraz organizasyonu duyusal algının ötesine uzanır. Araştırmacılar, iskelet kaslarını kontrol etmede rol oynayan ve beynin bir tarafını omuriliğin karşı tarafına bağlayan üç önemli yol belirlediler.

Birincisi, vücudun çevreden gelen bilgilere hızla yanıt vermesine yardımcı olan tektospinal yoldur.

Optik tektum sadece görme duyusunu işlemez. Aynı zamanda sesler ve fiziksel duyumlar hakkında da bilgi alır ve bu sinyalleri beynin karşı tarafındaki görsel temsiliyle uyumlu haritalar halinde düzenler.

Bir caddeyi geçmeye hazırlanırken, gözünüzün köşesinden aniden yaklaşan bir araba fark ettiğinizi hayal edin. İçgüdüsel olarak araca doğru dönersiniz. Tektospinal yol, bu hızlı tepkinin oluşmasına yardımcı olan sinir devrelerinden biridir. Ayrıca beklenmedik seslere veya dokunmalara karşı benzer tepkileri de koordine edebilir.

Hareket sinyalleri optik tektumun en derin katmanlarında başlar ve sinir lifleri aracılığıyla omuriliğin karşı tarafına ulaşır. Bu yol, çoğu dört ayaklı hayvanda ve bazı kıkırdaklı balıklarda mevcuttur.

Bir diğer önemli devre ise hayvanların uzuvlarını kontrol etmelerine yardımcı olduğu düşünülen rubrospinal yoldur. Bu yol, beyin ortasındaki kırmızı çekirdek adı verilen bir yapıdan başlar ve omuriliğin karşı tarafına kadar uzanır. Bu yol, çoğu memelide özellikle belirgindir, ancak diğer dört ayaklılarda ve bazı kıkırdaklı balıklarda da tespit edilmiştir.

İnsanlarda İnce Motor Kontrolünün Evrimi

Kortikospinal yol olarak adlandırılan üçüncü yol, insanlarda özellikle önemli bir role sahiptir çünkü parmaklarımızın ince kontrolü de dahil olmak üzere hassas hareketleri destekler.

Evrimsel tarihi diğer yollarınkinden daha karmaşıktır.

Tüm omurgalılarda, insanlarda beynin genel büyüklüğünün büyük bir kısmını oluşturan, beynin ön kısmı olan telensefalon bulunur. Bununla birlikte, yalnızca memelilerde altı farklı katmana ayrılmış bir serebral korteks vardır.

Bu altı katmanlı korteks, duyusal bilgileri anılarla birleştirme, hareketleri koordine etme ve dili işleme gibi karmaşık işlevleri destekler.

Kortikospinal yol, beyin korteksinden omuriliğe doğru uzanır, ancak işlevi hayvanlar arasında farklılık gösterir.

Çoğu memelide öncelikle duyusal işlemeyi etkiler. Sinir lifleri, vücuttan gelen bilgileri alan omurilik bölgelerine ulaşarak beynin gelen duyuları düzenlemesini sağlar.

Primatlarda (insanlar dahil) ve son derece hassas hareketler yapabilen bazı diğer hayvanlarda, bu yol aynı zamanda kasları kontrol eden omurilik bölgelerine de ulaşır. Bu bağlantılar, hassas işler için gerekli olan koordineli parmak hareketleri de dahil olmak üzere karmaşık eylemleri mümkün kılar.

Türüne bağlı olarak, kortikospinal yol duyusal bilgiyi düzenleyebilir veya doğrudan harekete katkıda bulunabilir. Her iki durumda da, lifleri sinir sisteminin orta çizgisini geçer.

Araştırmacılar, insanların gelişmiş ince motor becerilerini, başlangıçta duyusal girdiyi kontrol etmekle ilgili olan daha eski bir sinir devresini uyarlayarak geliştirmiş olabileceğini öne sürüyor. Evrim, tamamen yeni bir sistem yaratmak yerine, mevcut bir yola ek bir amaç kazandırmış olabilir.

Beynin Çapraz Bağlantılarının 500 Milyon Yıllık Bir Açıklaması

Bir araya getirildiğinde, bu sinir yolları beynin alışılmadık organizasyonuna dair potansiyel olarak şaşırtıcı bir açıklamaya işaret ediyor.

Araştırmacılar, en eski görsel devrelerin, sinir sisteminin zıt taraflarında duyusal ve hareket yollarının nasıl organize edildiğine dair bir düzenin oluşturulmasına yardımcı olduğunu öne sürüyor. Daha sonraki devreler, özellikle dört ayaklılarda, evrimleşirken bu düzenlemeyi miras almış olabilir.

Her yaşayan omurgalının, karşıt görüş alanından gelen bilgilere göre organize edilmiş bir optik kiazma ve optik tektum’a sahip olması nedeniyle, araştırmacılar bu yapıların yaklaşık 538 ila 486 milyon yıl önce Kambriyen Dönemi’nde ilkel çenesiz balıklarda zaten mevcut olduğunu düşünüyorlar.

Eğer bu doğruysa, beynin çapraz bağlantılarının altında yatan temel organizasyonun, modern insanların ortaya çıkışından yarım milyar yıldan daha uzun bir süre önce gelişmeye başladığı anlamına gelir.

Bu hipotez test edilebilir bile olabilir. Bilim insanları, bu erken dönem hayvanlarının optik kiazma ve optik tektuma sahip olup olmadığını belirlemeye yardımcı olabilecek anatomik kanıtlar için eski çenesiz balıkların fosilleşmiş kafataslarını inceleyebilirler.

Evrimsel Bir Miras mı, Yoksa Bir Avantaj mı?

Daha geniş anlamda bu fikir, her sıra dışı biyolojik özelliğin doğrudan hayatta kalma avantajı sağladığı için evrimleştiği varsayımına meydan okuyor.

Evrim, tamamen yeni sistemler geliştirmek yerine genellikle zaten var olan yapıları değiştirir. Eski görsel yollar çapraz bir organizasyon oluşturduktan sonra, bu düzenleme, ek duyusal ve motor devrelerin nasıl geliştiğini etkilemiş olabilir.

Özellikle görsel sistemin (ve özellikle optik tektumun) organizasyonu, daha sonraki yolların izlediği yapısal bir temel sağlamış olabilir.

Bu hipoteze göre, beynin çapraz bağlantıları, vücudun karşı tarafını kontrol etmenin doğası gereği daha etkili olmasından kaynaklanmamış olabilir. Bunun yerine, evrimin tekrar tekrar kullandığı eski bir düzenlemenin kalıcı etkisini yansıtıyor olabilirler.

Bu sonuç, sinir sisteminin evrimsel tarihini nasıl koruduğunun en kalıcı örneklerinden biri olabilir. Beynin iki yarım küresi ile vücudun zıt tarafları arasındaki garip ilişki, nihayetinde 500 milyon yıldan daha önce yaşamış hayvanların görsel sistemlerine kadar uzanabilir.