Sinirbilime Giriş: Temel Prensipler

Giriş

Çoğunlukla insanlara okuduğum bölümü anlatmakta zorlanırım, zira sinirbilim ülkemizdeki pek çok insan için çok yeni bir kavram. İnsanlar üniversitede ne okuduğumu sorduklarında, aldıkları cevap karşısında hayrete düşebiliyor ve bunun sonucunda okuduğum alanı çok farklı şeyler ile karıştırabiliyorlar. En çok “nöroloji” okuduğum (evet hem de tıp eğitimi almadan) düşünülüyor hatta “operasyon yapıp yapamayacağım” bile sorulmakta. Kişisel favorim ise, eski bir sağlık bakanının yakıştırdığı “nöroloji mühendisliği”… Bütün bunlar bir yana, hem ülkedeki hem de Tabella’daki akademik literatüre katkıda bulunmak, ayrıca insanların tanımadığı bu alanı anlatmak amacıyla, “Sinirbilime Giriş” başlıklı yazı dizisini bu yazı ile başlatmayı ve özellikle bu yazıda temel prensipleri aktarmayı amaçlıyorum.

 

Sinir Sisteminin Temeli: Nöron

İnsan vücudundaki sinir sistemini oluşturan temel yapı taşları nöronlardır. Sinir hücresi olarak da adlandırılan nöronlar, elektriklenme ve gelen uyarıcıya karşın değişiklik göstererek sinyal iletebilme özellikleri taşıyan oldukça karmaşık bir yapıya sahip vücut hücreleridirler. [1] Nöronlar arası bağlantılar şebekeler ve ağlar oluşturarak, tıpkı bir elektrik şebekesi gibi çalışıp, vücudun koordinasyonunu sağlarlar. Bağları anlayabilmenin ilk şartı, bu bağları oluşturan hücre birimleri olan nöronları anlamaktır. Aşağıdaki şekilde bir tane örnek çok kutuplu (multipolar) nöron gösterilmektedir.

 

Şekil 1. Çok kutuplu bir nöron şematiği. İnsan vücudunda kas koordinasyonunu sağlayan motor nöronları, çok kutuplu nöronlara birer örnektirler.[1]

 

Yukarıda gösterilen nöronda fark edebileceğiniz üzere, diğer hücrelere nazaran daha büyük ve “özelleşmiş” bir yapıya sahiptir sinir hücreleri. Hücre gövdesi (cell body/perikaryon), nöronun enerji ihtiyacını karşılayan mitokondrileri (mitochondria), protein sentezini (yani üretimini) sağlayan Nissl cisimciklerini (şekilde gösterilmemiştir) ve hücrenin ana kontrol merkezi olan hücre çekirdeğini (nucleus) içerir. Diğer vücut hücrelerinde de olduğu gibi hücre çekirdeği, DNA’yı (genetik materyal) içerir ve hücrenin uzun dönemli değişikliklerinin (hücre bölünmesi, hücre dönüşümü, özelleşme vs.) planlanıp uygulandığı organeldir (hücre içerisindeki özelleşmiş yapı).

 

Hücre gövdesinin etrafında bulunan dendritler, diğer nöronlardan gelen sinyalleri yakalarlar ve hücre gövdesine iletirler. Hücre gövdesinden uzanan ve dışı yağ yönünden zengin iletken bir madde olan ve sinyal iletimini hızlandıran bir madde olan miyelinden (myelin) oluşan bir kılıf (myelin sheath)[2] ile kaplı olan akson ise, hücre gövdesinde entegre edildikten sonra gönderilen elektrik sinyalinin (impulse) seyahat ettiği iletken liftir.[3] Miyelin kılıfı ile kaplanmış aksonun belirli noktalarında Ranvier boğumu (Node of Ranvier) adı verilen ve sinyal iletimini hızlandıran boşluklar bulunur (şekilde gösterilmemiştir).[3] Akson terminalleri (axon terminals) elektrik sinyalinin diğer bir nörona aktarılması için kimyasal sinyale dönüştüğü sinapstan (synapse) hemen önce bulunan aksonun bitiş noktalarıdır.

 

Sinir Sisteminin Haberleşme Metodu: Aksiyon Potansiyeli ve Sinaps

Yazının başında nöronların sinyal iletebilme ve elektriklenme özellikleri olduğundan bahsetmiştim. Bunun nasıl oluştuğunu anlayabilmemiz için, nöron içerisindeki iyon dengesine bakmamız gerekir. İyonlar elektrik yüklü parçacıklardır ve böylelikle bir elektrik akımı oluşmasına müsaade ederler. Nöronların sinyal iletmesini sağlayan en temel iyonlar ise, sodyum (Na⁺) ve potasyum (K⁺) iyonlarıdır. Aksiyon potansiyeli (action potential) kısa süreli olarak nöron zarındaki elektriksel kutuplaşmanın (yani iyon dengesinin) tersine döndürülmesidir.[4] Elektrik sinyali aksiyon potansiyeli sonucunda, yani iyon dengesinin değişimi sonucunda üretilir.

 

Normal bir durumda nöron hücresinin içi negatif bir elektrik yüküne sahiptir. Voltaj olarak bakıldığı zaman istirahat (resting) durumundaki nöronun hücre içi voltajı -70 mV (milivolt) civarıdır. Hücre içerisinde daha çok potasyum iyonu, hücre dışında da daha çok sodyum iyonu bulunur. Nöron, başka bir nöron tarafından uyarıldığı zaman, hücre içerisine sodyum iyonu sokacak olan kanallar açılır ve hücre içerisindeki sodyum iyonu miktarı artar. Bu kanallar sadece sodyum geçirdiğinden ve hücre zarının voltajına göre açılıp kapandıklarından “voltaj bağlantılı sodyum kanalı” olarak anılırlar. Böyle hücre içerisindeki elektrik yükünü pozitif hâle gelir ve elektrik sinyali üretilir. Ardından voltaj bağlantılı potasyum kanalları açılarak potasyum iyonlarının dışarıya çıkmasını sağlar ve sodyum iyonlarının yarattığı etkiyi tersine döndürerek hücre içi potansiyeli negatif yöne çeker. Farklı kanal açılışları ile beraber hücre içerisindeki istirahat potansiyeline (-70 mV) tekrardan ulaşılır. Bütün bu sürecin sonunda üretilen elektrik sinyali, elektrik akımının yana doğru yayılması ve tüm hücre zarında aynı işlemin uygulanmasıyla akson terminallerine dek iletilir ve sinapsta son bulur.

 

Sinapsa gelmeden önce değinmek istediğim bir nokta da sıçramalı iletkenliktir (saltatory conduction). Bu iletkenlik biçiminde, aksiyon potansiyelini “tazeleyen” iyon değişikliklikleri, hücre zarının her bir noktasında gerçekleşmek yerine sadece miyelin katmanının bulunmadığı küçük, aralıklı noktalarda gerçekleşir (Ranvier düğümü). Bu yoğunlaşma sinyal iletimini hızlandırır (Şekil 2).

 

 

Şekil 2. Sıçramalı iletkenlik ile normal iletkenlik arasındaki farklar. Sıçramalı iletkenlikte aksiyon potansiyeli belli noktalarda üretilerek daha hızlı iletilir.[5]

 

Elektrik sinyali akson terminaline ulaştığı zaman, diğer bir nörona aktarılabilmesi için kimyasal bir sinyale dönüşmesi gerekir. Bunun sebebi, nöronlar arasında “sinaps” (synapse) adı verilen boşluklar olmasıdır. Sinapslar nöronlar ve başka organlar (örnek olarak kaslar) arasında da bulunabilir. Elektrik sinyali sinaps öncesi nöronun akson terminaline ulaştığı zaman, hücre içi potansiyeli pozitif hâle getirerek hücre zarındaki voltaj bağlantılı kalsiyum kanallarının açılmasını sağlar. Böylelikle akson terminalinde bulunan kesecikler hücre zarı ile kaynaşarak, içinde bulunan kimyasalları, yani nörotransmitterleri (nöroileticileri/neurotransmitters), diğer nörona gitmek üzere sinapsa boşaltır. Nörotransmitter ardından hedef almaçlarına (reseptör/receptor) bağlanarak, sinaps sonrası nöronda (veya bir başka dokuda) iyon dengesinde değişiklik yaratarak aksiyon potansiyelinin üretilmesini sağlar ve böylelikle sinyal iletimi devam eder. Sürecin ardından nörotransmitter tekrar kullanılmak üzere sinaps öncesi nörona alınır veya enzimler tarafından “sindirilir” (Şekil 3).

 

Şekil 3. Sinyal iletiminin sinapstaki süreci. Şeklin yukarısındaki paragraf, şeklin Türkçeleştirilmiş hâlidir.[6]

 

Sinir Sisteminin Destek Hücreleri: Glia 

Tek başlarına ayrı bir külliyatı oluşturan glia hücrelerinden bahsetmeden sinirbilimden bahsetmiş olmayız, ancak aynı sebepten ötürü glia hücreleri hakkında pek fazla detay vermeden bilgi vermek istiyorum. Tanımlanan glia hücreleri arasında astrositler (astrocytes), mikroglia (microglia), Schwann hücreleri (Schwann cells), epindimal hücreler (ependymal cells), oligodendrositler (oligodendrocytes), radyal glia hücreleri (radial glia cells), uydu glia hücreleri (satellite cells) ve enterik glia hücreleri (enteric glia cells) bulunur. Genel olarak destekleyici görev gördüğü düşünülen glia hücrelerinin, çok daha fazla görevleri olduğu zamanla araştırmalar neticesinde anlaşılmıştır.[7]

 

Şekil 4. Glia hücrelerinin temsilî şemaları.[8]

 

Sinir sisteminin farklı bölümlerinde (buna sonraki yazımda değineceğim) bulunan glia hücrelerinden ortak görevi olanlar da bulunur. Oligodendrositler ve Schwann hücreleri aksonların etrafına miyelin kılıfını örme görevine sahiptirler ve farklı bölgelerde iş yaparlar. Mikroglia, merkezî sinir sisteminin (gelecek yazıda anlatacağım bir sinir sistemi bölümü) bağışıklık hücresi iken, epindimal hücreler beyin-omurilik sıvısını (beyin ve omurilikte bulunan, beyne kafatası içerisinde mekanik koruma ve yapısal destek sağlayan şeffaf sıvı) üreten ve dolaşımını sağlayan hücrelerdir. Astrositler, kan-beyin bariyerini (beyin ile dolaşan kanı ayıran bir bariyer) oluşturan, iyon dengesini sağlayan, nöronlara besin ve enerji desteği veren ve sinaptik iletimde görev alan çok yönlü merkezî sinir sistemi hücrelerdir. Enterik glia hücreleri, sindirim sistemindeki sinir hücreleri ile yakından ilişkili iken uydu glia hücreleri çevresel sinir sisteminde (gelecek yazıda irdelenecek bir başka sinir sistemi bölümü) bulunan ve astrositlere benzer görevlere sahip olduğu düşünülen hücrelerdir. Son olarak radyal glia hücreleri, sinirdoğum (neurogenesis), yani sinir hücrelerinin üretimi sürecinde görev alan hücrelerdir.

 

Sonuç

Bu yazı dizisinin ilk parçasında sinirbilimin biyolojik yönünden temel hücresel bilgilerini aktarmaya çalıştım. Nöronların sinyal iletiminde elektrokimyasal detaylara okuyucuyu düşünerek fazla girmedim, ancak konuya ilgisi olanların bu konuyu daha derinlemesine araştırmalarını tavsiye ederim. Bu yazıda ağırlıklı olarak sinir sisteminin hücrelerini incelemiş olsam da sonraki yazılarda daha çok sistem bazında sinir sistemine bakma hedefindeyim. Umarım okurken keyif aldığınız ve bir şeyler öğrenebildiğiniz bir yazı yazabilmişimdir, zira bu yazı dizisi okurların katkısı ile ilerleyecektir.

 

---

 

Referanslar

[1] Patten, B. M. (1946). Human Embryology (The Blakiston Company: Philadelphia and Toronto).

[2] National Multiple Sclerosis Society. (n.d.). What is Myelin?

[3] Çelik, İ. (2014). Nöronlar. Bilim ve Teknik.

[4] The Editors of Encyclopaedia Britannica. (2005). Action Potential. Encyclopaedia Britannica.

[5] Encyclopaedia Britannica. (2002). Conduction of the action potential.

[6] Encyclopaedia Britannica. (2005). Chemical transmission of a nerve impulse at the synapse. 

[7] Bakırcı, Ç. M. (2012). Sinirbilim ve Beyin – 2: Sinir Sisteminde Bulunan Hücrelerin Tipleri. Evrim Ağacı.

[8] Blausen.com staff (2014). Medical gallery of Blausen Medical 2014. WikiJournal of Medicine, 1 (2).