Neden Tüm Nöronlarımız Miyelinli Değil? Öyle Olsaydı Ne Olurdu?

Nöron, beyin hücrelerimize verilen isimdir; bu hücrelerin, onları diğer nöronlarla bağlayan membran uzantılarına ise akson adı verilir. Aksonların, beyindeki en kritik yapılardan biri olduğu söylenebilir, çünkü elektriksel uyarıları veya verileri diğer nöronlara iletirler. Bu uzantılar, saç tellerimizden kat kat daha ince olup, uzunlukları bulundukları yere göre bir mikrometreden bir metreye kadar değişebilir. Her nöronun aksonlarında yan dallanmalar oluşarak akson kollateralleri (İng: "axon collaterals") meydana gelir; bu yapılar da bilgilerin bir değil, birden fazla nörona aynı anda iletilmesini sağlar.

Nöronlar Nasıl Çalışır?

Önce kısa bir hatırlatma yapmakta fayda görüyoruz: Sinir hücreleri, nöronlar ve glia hücrelerinden oluşmaktadır. Glia hücrelerinin de nöronlara destek olmak, onları bir arada tutup besinlerini sağlamak gibi görevleri vardır. Öyleyse, miyelin kılıfını glia hücrelerinin oluşturduğunu söylemek de kulağa çok şaşırtıcı gelmeyecektir. Bu kılıfı, merkez sinir sisteminde (MSS) oligodentrositler, çevresel sinir sisteminde ise (ÇSS) Schwann hücreleri oluşturur. Çok sayıda protein ve yağ içeren bu kılıflar, elektriksel uyarıların hem hızlı hem de etkin biçimde iletilmesini sağlamaktadır.

Wikimedia

Beynimizdeki nöronlar, veri iletimini aksiyon potansiyeli mekanizmasıyla gerçekleştirmektedir. Aksiyon potansiyeli dediğimiz süreç, nörotransmitterlerin, farklı bir nöronun başlangıç kısmındaki uzantılar olan dendritlerdeki reseptörlere bağlanmasıyla başlar. Nöronlardaki normal membran potansiyeli ortalama -70 mV iken, bu bağlanma, membran potansiyel değerini sıfıra yaklaştırarak nöronu depolarize eder; bu da aksiyon potansiyelinin ilk aşamasıdır.

Çok sayıda reseptör olduğu için, her defasında depolarizasyonu tetikleyen birden fazla bağlanmanın yardımıyla nöron eşik değerine ulaşır (ortalama -55 mV). Eşik değere ulaşmak, nöronların hücre zarında bulunan sodyum kanallarının açılması anlamına gelir. Açılan kanallarından hücreye çok sayıda sodyum girer ve bunlar pozitif değerli olduğundan, membran potansiyeline büyük bir etki ederek pozitif değerlere ulaşmasını sağlar. Buna, depolarizasyonun artış aşaması da denir.

Maksimum noktasına ulaştığında, sodyum kanalları kapanarak potasyum kanalları açılır ve potasyum hücreden dışarı atılır. Yine pozitif yüklü olan bu iyon nörondan atıldığı zaman, hücrenin membran potansiyel değeri yine düşmeye başlar, ki bu repolarizasyon olarak bilinir.

Nöron sonrasında ''dinlenme durumuna,'' yani normal membran potansiyeline geri dönse de, bundan hemen önce çok kısa bir anlığına başlangıç değerinin de altına düşerek hiperpolarize edilir. Hiperpolarizasyon durumunda iken hücrenin başka bir aksiyon potansiyeli gerçekleştirmesi mümkün değildir. Ancak potasyum kanalları kapatıldığında membran potansiyeli normal haline döner ve bir aksiyon potansiyeli bitmiş olur.

Wikimedia

Şimdi bu sürecin aksonlarda nasıl gerçekleştiğine bakalım: Eşik değere ulaşıldığında az önce de bahsettiğimiz sodyum kanalları açıldığı zaman, birbirine yakın olan pozitif yüklü sodyumlar birbirini iterek uzaklaşmaya başlar. Aynı yüklü parçacıkların birbirini itme kuvveti çok güçlü olduğundan, sodyum iyonlarının aksonun içinden ilerlemesi çok kısa zaman alır.

Ancak, ikinci bir faktör devreye girmediği sürece bu sinyallerin kaybolması çok olasıdır; çünkü demin de bahsettiğimiz gibi, aksonların uzunluğu farklılık gösterir. Birkaç mikrometrelik aksonlarda bu sinyallerin iletimi konusunda yardımcı bir mekanizma gerekmeyebilir, fakat daha uzun aksonlarda yalnızca parçacıkların itme kuvvetine güvenirsek, veriler daha algılanamadan körelir.

Ranvier boğumları da tam da bu yüzden önemlidir: Her boğumda voltaja duyarlı sodyum kanalları vardır. Daha veriler veya sinyallere kaybolma fırsatı tanımadan sodyum kanalları tekrar tekrar açılıp sinyalleri hızla miyelin kılıflarından geçirir, boğumlara vardıkları zaman da bir başka sodyum kanalı açılır ve bu süreç, veriler beyine aktarılana kadar devam eder. Miyelin kılıfındaki süreç çok hızlı gerçekleşirken, boğumlardaki kanalların açılması daha uzun zaman alır. Ancak bu ikisinin kombinasyonu, ortaya ideal bir mekanizma çıkarır.

Neden Tüm Nöronlar Miyelinli Değil?

Miyelin kılıflarının nöronlara sinyal aktarma konusunda nasıl yardımcı olduğundan söz ettik. Peki o zaman neden tüm aksonlarımız miyelinle sarılı değil? Eğer hepsi miyelinle sarılı olsaydı, tüm sinyaller daha büyük bir hızla iletileceği için avantajlı durumda olmaz mıydık?

Cevap, hayır. Bunun birkaç nedeni bulunmaktadır; aşağıda bunların bir kısmına yer vereceğiz.

Miyelinleşmenin Üst Sınırı

Miyelinleşme ve iletim hızı bir seviyeye kadar doğru orantılı diyebilsek de, bu hızın sınırsız olmadığını da not etmek önemli. Huxley and Stämpfli'nin 1949 yılında yaptıkları bir araştırmanın da gösterdiği üzere, düz maksimum (İng: "flat maximum") denen bir kavram kapsamında, miyelinleşme yalnızca belirli bir noktaya kadar iletim hızını artırabilmektedir. Sınıra ulaştığında, miyelinleşme devam etse de hızda hiçbir değişiklik olmamaktadır.

Teorik modeller her ne kadar bu hipotezi desteklemiş olsa da, 2012 yılında Lai Man N. Wu ve meslektaşları tarafından yapılan bir araştırma, bunu klinik olarak doğrulamayı başardı. ΔPDZ-Prx fareleri üzerinde yapılan deneyde, çevresel sinirlerinin uyarı iletim hızının eşik noktaya (flat maximum) varmasının ardından hiç değişiklik göstermediği tespit edildi. Kısacası, miyelinleşme aksonlardaki iletim hızını yalnızca maksimum değere ulaşana kadar artırabilir.

Yüzey Alanının Hacme Oranı Sorunu

Bu soruların tek cevabı, hızın maksimum değerle sınırlandırılmış olması değildir. Miyelinleşme, hem enerji tüketen, hem de nöronlarımız arasında düşündüğünüzden daha çok yer kaplayan bir yapıdır.

Miyelinlenme, vücudumuzdaki en yaygın nöronların gövdelerini kaplayarak onların kalınlığını yaklaşık iki katına çıkarır ve bu nedenle aksonun hacmi, bir nöronun hacminin büyük bir kısmını oluşturur. Çapı iki katına çıkarmak, kesit alanını dört katına çıkardığı için, (aynı uzunlukta kaldığı varsayarsak) sırf miyelinlenme nedeniyle bir nöronun hacmi dört katına çıkacaktır. Buna bağlı olarak beyin hacmi en azından dört katına çıkacağından, nöronların daha uzun (muhtemelen en az %50 oranında daha uzun) olması gerekecekti, bu da nöron hacmini %50 artıracak ve beyni en az altı kat daha büyük hale getirecekti. 6 katlık bir hacim, kafatasının genişlik, yükseklik ve derinliğinin şu ankinin 1.8 katı olmasını gerektirecekti ve boynumuz, şu anda taşıdığı ağırlığın 6 katını desteklemek zorunda kalacaktı. Unutmamak gerekir nöronlarımız ve miyelinasyonu sağlayan ve sürdüren glia hücrelerimiz canlı yapılardır; bu nedenle eğer tüm nöronlarımız miyelinlenecek olsaydı, onları hayatta tutmak için de en az 6 kat daha fazla besine ihtiyaç duyardık.

Bu durumda daha çok miyelinleşmenin, belli bir noktadan sonra o kadar da verimli ve avantajlı bir süreç olmayacağı görülür. En nihayetinde tüm bunlar evrimleşebilirdi; fakat türümüzün besine erişimi, organlarının ve yapılarının büyüklüğünü doğrudan belirlemektedir.

Enerji Problemi

Enerji perspektifinden bakıldığı zaman, miyelinleşme aksiyon potansiyeli için kullanılması gereken enerjiyi azaltır, bir başka deyişle enerji tasarrufu yapar. Ancak, miyelinleşme sürecinin kendisi, yani miyelin kılıfın inşası ve sürdürülmesi oldukça yüksek enerji sarfiyatına sebep olan bir süreçtir. Örneğin, miyelin kılıflarını oluşturan hücrelerden biri olan oligodentrositlerin metabolik ihtiyaçları çok yüksektir. Yapılan araştırmalarda miyelinleşmenin harcadığı ve tasarruf ettiği enerji miktarı kıyaslanarak, harcadığı enerji miktarının daha yüksek olduğu anlaşılmıştır. Bu yüzden birkaç mikrometre boyutundaki miyelinleşmemiş aksonlarımızın miyelin kılıfıyla sarılması hem boşa enerji tüketimi sayılacak, hem de kaplayacakları alandan ötürü önemli bozulmalara neden olabileceklerdir.

Kısacası, tüm nöronlarımızın miyelinli olması bizim için avantajlı değildir ve bu nedenle de bu yönde bir evrimsel gidişat görülmemektedir.