Kuşlardan İnsan Tıbbına Nörogenezin Keşfi

Merhaba, ben N. Meryem Doğruer. Ankara Üniversitesi Veteriner Fakültesinde 1. sınıfı henüz yeni bitirdim. Merak ettiğim konulardan birinin beni gerçekten etkilemesi üzerine, blog yazımın ilkinde bu konuyu ele almak istedim.

Ötücü kuşların tamamında syrinx organı bulunmasına rağmen türlerin birbirinden oldukça farklı sesler üretmesini sağlayan mekanizma nedir? Bu kuşlar kendilerine özgü ötüş kalıplarını nasıl öğrenirler?

Bu sorulardan yola çıkarak hazırladığım yazıda, kuşların ötüş sistemi üzerine yapılan çalışmaların insanlarda nörogenezin keşfine nasıl katkı sağladığından, insan konuşması ile kuş ötüşü arasındaki yakınsak evrimden ve kuşların mevsimsel nörogenez kabiliyetinin nörodejeneratif hastalıkların tedavisine nasıl ışık tuttuğundan söz edeceğim. Eğer siz de bu konuları merak ediyorsanız, kuş biliminin ve tıbbın derinliklerine uzanan bu yazıda sorularınıza yanıt bulabilirsiniz. Herkese keyifli okumalar.

Dilerseniz esas sorumuzla başlayalım:

Ötücü kuşlardaki türe özgü ses çeşitliliğinin kaynağı nedir ve bu sesleri nasıl kusursuz bir şekilde çıkarabilirler?

Tarih boyunca sorulmuş olan bu soru, ilk kez 1980'li yıllarda Fernando Nottebohm'un kanarya beyni üzerine yaptığı çalışmalarla birlikte en çığır açıcı sonuçlarına ulaşmış ve ardından gelen çalışmalarla birlikte bilimsel bulgular ornitolojinin dışına çıkıp tıp alanına taşınmış ve nörobilimde adeta bir devrim yaratmıştır (Nottebohm, 1981).

Kuşlardaki ses çeşitliliğinin arkasında anatomik, nörolojik ve akustik üç ana faktör yatmaktadır. Anatomik açıdan baktığımızda her kuşun syrinx yapısının aynı olmadığını görürüz. Çıkan sesin tonundaki ve frekansındaki temel farklılık, syrinx'e bağlı olan kasların sayısı ve yerleşiminden kaynaklanmaktadır. Gelişmiş ötücü kuşlarda (oscines alt takımı), syrinx içindeki membrana tympaniformis yapısının gerginliğini ayarlayan ve sayısı türden türe değişen bağımsız kas çiftleri bulunur (King, 1984). Bu kasların ritmik hareketleri sayesinde seslerinde milisaniyelik ayarlamalar yapabilirler (Riede & Goller, 2010).

Bir serçenin cıvıldamasıyla bir karganın gaklaması arasındaki bariz fark da yine bu kasların kütlesinden ve trachea halkaları üzerindeki seyrinden kaynaklanmaktadır. Serçelerde syrinx kasları daha ince yapılı ve düz seyirli iken; kargalarda bu kaslar daha kalın, yaygın yerleşimli ve kaba hareketlere uygun bir yapıdadır (Riede & Goller, 2010).

Görsel: (Syrinx) , Pettingill (1956) çalışmasından alınmıştır.

Syrinx kas yapısı çok daha karmaşık olan kedi kuşları ve ardıçlar ise sağ ve sol bronşlarındaki hava akışını birbirinden tamamen bağımsız şekilde yönetebilir. Bu özellikleri onları ''çift sesli'' (biphonic singers) kılar. Bifonik kuşlar, syrinx'in bir tarafında pes bir melodiyi yükseltirken, eş zamanlı olarak diğer tarafta tiz bir melodiyi alçaltabilirler ve bunu yaparken hiç zorlanmazlar (Suthers, 1990).

Akustik faktörlere gelecek olursak, burada trachea uzunluğu ve çapı devreye girmektedir. Geniş ve uzun bir trachea, sesi derinleştirip gürleştirirken (örn. kargalar ve turnalar) kısa ve dar bir trachea ise sesin daha tiz ve kesik kesik çıkmasını sağlar (örn. serçeler, bülbüller ve papağangiller).

Nörolojik faktörler ise en detaylı kısım denebilir. Memelilerin konuşma merkezleri olan Broca ve Wernicke alanlarıyla evrimsel açıdan oldukça benzerlik gösteren kuşların ötüş sistemi (Song System), iki ana sinirsel yolaktan oluşur (Jarvis, 2004; Scharff & White, 2006).

HVC (High Vocal Center) ve RA (Robust Nucleus of Arcopallium) adlı bu çekirdekler; kuşun şarkıyı hafızasında tutmasını, zamanlamasını düzenlemesini ve syrinx kaslarını kontrol etmesini sağlar.

Görsel: Saggital section of oscine songbird's brain with schematic drawing of song system (Nottebohm, 1999).

Bazı kuşlar sabit ses kalıplarına sahip olarak doğarlar. Ancak gelişmiş ötücüler, iyi gelişmiş ve görece daha hacimli HVC ve RA çekirdekleri sayesinde çevrelerindeki sesleri taklit etme ve öğrenme yeteneğine sahiptir (örn. muhabbet kuşları ve papağanlar) (Nottebohm et al., 1981).

Pek çok ötücü kuş türünde ise sadece erkekler öter (örn. Hint bülbülleri, kanaryalar ve serçeler). Söz konusu cinsiyet dimorfizmi, erkek ve dişinin nöroanatomisinden kaynaklıdır: Erkek bireyin beynindeki HVC ve RA hacmi, dişininkine oranla birkaç kat daha büyüktür. Dişilerde ise bu çekirdekler körelmiş veya rudimenter kalmıştır (Nottebohm & Arnold, 1976).

HVC merkezi, telencephalon'un dorsal'inde yer alan nidopallium tabakasında bulunur. RA merkezi ise HVC'nin caudo-ventral'inde, arcopallium bölgesinde yer alan, hücre yoğunluğu oldukça yüksek (robust) bir çekirdektir (Reiner et al., 2004). Bu iki merkez, şarkının üretilmesi esnasında koordineli olarak çalışır.

HVC'deki nöronlar, şarkı esnasında sıra sıra ve dalga dalga uyarımlar üretir (Hahnloser et al., 2002).

Kuşun gençken babasından öğrenip hafızasına aldığı şarkı şablonu HVC içerisinde depolanır. Eğer bir kuşun HVC çekirdeğine müdahale edilirse, bu kuş ses çıkarabilir ama notaları doğru sıraya dizemez; yalnızca kaba sesler çıkarabilir, bu da şarkısının gelişigüzel bir ritimde ilerlemesine sebep olur (Nottebohm et al., 1976).

RA çekirdeğinin görevi ise HVC'den gelen ritmik sinyalleri motor komutlara dönüştürmektir. RA nöronları trunchus encephali'de yer alan nucleus nervi hypoglossi pars tracheosyringealis (Xllts çekirdeği) adı verilen çekirdeğe doğrudan akson gönderir (Spiro et al., 1999). Buradan gelen motor nöronlar, syrinx çevresindeki kasları innerve eder ve sese en son halini verir. Uyum içinde çalışan bu sistem, kuşların şarkılarını muntazam biçimde sergileyebilmelerini sağlar.

Kuşların vokal kontrol sistemi insanlardaki felç, konuşma bozuklukları ve beyin hasarlarının tedavisine ışık tutmak amacıyla en çok incelenen nörolojik modellerden biridir. Sebebi ise ''Mevsimsel Nörogenez'' adı verilen ve ''Nöronlar bölünemez, yenilenemez ve doğumdan sonra yenisi üretilemez'' kuralını tamamen değiştiren çığır açıcı mekanizmanın keşfidir (Nottebohm, 1981; Brenowitz, 2004).

Yetişkin memelilerde beyin hücrelerinin yenilenmesinin çok sınırlı olmasının aksine, ötücü kuşların beyninde nöral kök hücre üretimi gerçekleşir. Ventriculus lateralis'in alt duvarında yer alan zona subventricularis'te üretilen bu kök hücreler, ilkbahar aylarında androjenik ve östrojenik steroidlerin etkisiyle uyarılır ve mitotik aktiviteye başlar. Yeni oluşan nöral progenitör hücreler; radial glia hücrelerinin uzantılarına tutunarak HVC ve RA merkezlerine göç eder, daha sonra burada fonksiyonel hale gelirler (Alvarez-Buylla et al., 1990).

Görsel: Nottebohm (2002).

Sonuç olarak ötücü kuşların beyin hacimleri, ilkbaharda neredeyse iki katına ulaşır. Buna mevsimsel plastisite(seasonal plasticity) adı verilir (Brenowitz, 2004).

Sonbaharda, çiftleşme ve şarkı dönemi sona erdiğinde, bu nöronlar apoptosis ile yok edilir ve beyin eski hacmine geri döner (Kirn et al., 1994; Alvarez-Buylla & Kim, 1997).

Kuşlarda mevsimsel nörogenezin keşfinden sonra insanlarda da nörogenez araştırılmış ve bizde onlardaki gibi vokal/ öğrenme alanlarında olmasa da, hafıza merkezimiz (gyrus dentatus) ve koku soğancığında (bulbus olfactorius) yaşam boyu yeni nöron üretildiği anlaşılmıştır (Eriksson et al., 1998; Gage, 2002).

Bu mekanizmanın keşfi insan tıbbında özellikle kök hücre tedavisi çalışmalarına ışık tutmuş ve güncel araştırmalarda; nörodejeneratif hastalıklar sonucu veya felç sonrası kaybedilen insan nöronlarının, kuşlardaki gibi kök hücre tetiklenmesiyle yeniden üretilip üretilemeyeceği üzerine çalışmalar yapılmasına ilham olmuştur (Lindvall & Kokaia, 2004)

Peki sizce kuşlar aleminden (veya genel olarak doğadan) başka hangi mekanizmalar biyomimetik tedavi yöntemlerine dönüştürülebilir?

REFERANSLAR:

•Olin Sewall Pettingall, Jr., A Laboratory and Field Manual of Ornithology (3rd Edition), Minneapolis, 1956https://thediagram.com/4_5/syrinx.html

• Alvarez-Buylla, A., & Kirn, J.R. (1997). Birth, migration, incorporation, and death of vocal control neurons in adult songbirds. Journal of Neurobiology, 33(5), 585-601. https://doi.org/10.1002/(SICI)1097-4695(19971105)33:5%3C585::AID-NEU7%3E3.0.CO;2-0

• Alvarez-Buylla, A., Theelen, M., & Nottebohm, F. (1990). Proliferation "hot spots" in adult avian ventricular zone reveal radial cell division. Neuron, 5(1), 101-109. https://doi.org/10.1016/0896-6273(90)90038-h

• Brenowitz, E. A. (2004). Plasticity of the adult avian song control system. Annals of the New York Academy of Sciences, 1016(1), 560-585. https://doi.org/10.1196/annals.1298.006

• Eriksson, P., Perfilieva E., Björk-Eriksson, T., et al., (1998). Neurogenesis in the adult human hippocampus. Nature Medicine, 4, 1313-1317. https://doi.org/10.1038/3305

• Gage, F. H. (2002). Neurogenesis in the adult human brain. The Journal of Neuroscience, 22(3), 612-613. https://doi.org/10.1523/JNEUROSCI.22-03-00612.2002

• Goller, F. & Cooper, B. G., (2004). Peripheral motor dynamics of song production in the zebra finch. Annals of the New York Academy of Sciences, 1016, 130-152. https://doi.org/10.1196/annals.1298.009.

• Hahnloser, R. H. R., Kozhevnikov, A. A., & Fee, M. S. (2002). An ultra-sparse code underlies the generation of neural sequences in a songbird. Nature, 419, 65-70. https://doi.org/10.1038/nature00974

• Jarvis, E. D. (2004). Learned birdsong and the neurobiology of human language. Annals of the New York Academy of Sciences, 1016(1), 749-777. https://doi.org/10.1196/annals.1298.038

• King, A. S. & McLelland J.(1984). Birds: Their structure and function (2nd ed.). Baillière Tindall.

• Kirn, J. R., O'Loughlin, B., Kasparian, S., & Nottebohm, F. (1994). Cell death and neuronal recruitment in the high vocal center of adult male canaries are temporally related to changes in song. Proceedings of the National Academy of Sciences, 91(17), 7844–7848. https://doi.org/10.1073/pnas.91.17.7844

• Lindvall, O., & Kokaia, Z. (2004). Recovery and rehabilitation in stroke: stem cells. Stroke, 35(11), 2691-2694. https://doi.org/10.1161/01.STR.0000143323.84008.f4

• Mooney, R. (2009). Neurobiology of song learning. Current Opinion in Neurobiology, 19(6), 654-660. https://doi.org/10.1016/j.conb.2009.10.004

• Nottebohm, F. (1981). A Brain for all seasons: cyclical anatomical changes in song control nuclei of the canary brain. Science, 214(4527), 1368-1370. https://doi.org/10.1126/science.7313697

• Nottebohm, F., & Arnold, A. P. (1976). Sexual dimorphism in vocal control areas of the songbird brain. Science, 194(4261), 211-213. https://doi.org/10.1126/science.959852

• Nottebohm, F., Kasparian, S., & Pandazis, C., (1981). Brain space for a learned task. Brain Research, 213(1), 99-109. https://doi.org/10.1016/0006-8993(81)91250-6

• Nottebohm, F., Stokes, T. M., & Leonard, C. M. (1976). Central control of song in the canary, Serinus canarius. Journal of Comparative Neurology, 165(4), 457-486. https://doi.org/10.1002/cne.901650405

• Reiner, A., Perkel, D. J., Bruce, L. L., et al., (2004). Revised nomenclature for avian telencephalon and some related brainstem nuclei. Journal of Comparative Neurology, 473(3), 377-414. https://doi.org/10.1002/cne.20118

• Riede, T., & Goller, F. (2010). Peripheral mechanisms for vocal production in birds - Differences and similarities to human speech and singing. Brain and Language, 115(1), 69-80. https://doi.org/10.1016/j.bandl.2009.11.003

• Scharff, C., & White, S. A. (2004). Genetic components of vocal learning. Annals of the New York Academy of Sciences, 1016(1), 325-347. https://doi.org/10.1196/annals.1298.032

• Spiro, J. E., Dalva, M. B., & Mooney, R. (1999). Long-range inhibition within the zebra finch song nucleus RA can coordinate the firing of multiple projection neurons. Journal of Neurophysiology, 81(6), 3007-3020. https://doi.org/10.1152/jn.1999.81.6.3007

• Suthers, R. A. (1990). Contributions to birdsong from the left and right sides of the intact syrinx. Nature, 347, 473-477. https://doi.org/10.1038/347473a0