Nörofizyolojiye Giriş

Nörofizyoloji alanı, sinir sisteminin nasıl çalıştığına ve işlev bozukluklarının nasıl hastalıklara yol açabileceğine dair bilgiler sağlar. Fizyoloji, organizmaların ve parçalarının nasıl çalıştığını inceleyen bilim dalıdır. Nörofizyoloji ise beyin, omurilik, periferik sinirler ve duyu organlarını içeren sinir sisteminin işleyişini inceleyen bilim dalı olarak tanımlanabilir.

Nörofizyologlar, sinir sistemine fonksiyonel sistemler, devreler, tekil nöronlar ve nöronal kompartmanları içeren birden fazla organizasyon düzeyinde yaklaşırlar.

Bu video, nörofizyolojinin kısa bir tarihçesini sunmakta, nörofizyologlar tarafından sorulan temel soruları tanıtmakta, bazı önde gelen yöntemleri betimlemekte ve son olarak bu alanın uygulamalarını tartışmaktadır.

Nörofizyoloji tarihindeki bazı dönüm noktası niteliğindeki çalışmaları inceleyerek başlayalım.

Sinir sisteminin özellikleri, Mısırlıların beyinden bahseden günümüze ulaşmış en eski metni kaleme aldıkları MÖ 1600'lü yıllardan beri insanlığın ilgisini çekmiştir.

Modern döneme geldiğimizde, 1771 yılında Luigi Galvani, elektrik şokunun ölü bir kurbağa kasını seyirtebileceğini göstermiştir. Galvani, bu etkinin "hayvansal elektrikten" kaynaklandığını iddia etmiştir.

Hayvansal elektriğin aslında bir sinir impulsu veya "aksiyon potansiyeli" olduğu, ancak 1840'larda Emil Du Bois-Reymond tarafından kanıtlanabilmiştir.

1924 yılına geçtiğimizde, Hans Berger, günümüzde nörofizyologlar tarafından halen yaygın olarak kullanılan bir teknik olan elektroensefalografi veya EEG ile insanlardaki genel beyin aktivitesinin elektriksel doğasını kaydetmiştir.

Daha sonra, 1939 yılında, Alan Hodgkin ve Andrew Huxley, mürekkep balığı dev aksonunda nöron hücre membranlarının yüklü parçacıkların öngörülebilir bir şekilde içeri ve dışarı akmasına izin verdiğini belirlemişlerdir.

1951 yılında Sir John Eccles, bilginin bir nörondan diğerine iletildiği kritik bir yöntemi çözmüştür. Bir nörondan gelen elektriksel sinyalin, ikinci bir nöron tarafından alınan kimyasal bir sinyale dönüştürüldüğü kimyasal sinapsı tanımlamıştır.

Ardından, 1976 yılında Erwin Neher ve Bert Sakmann, uyarılabilir hücrelerin membranlarını olağanüstü bir ayrıntıyla inceleme imkanı sunan patch-clamp tekniğini geliştirmişlerdir.

Daha yakın bir tarihte, 2005 yılında Karl Diesseroth, Ed Boyden ve Feng Zhang, nöronların "opsinler" adı verilen bir protein ailesine ait ışığa duyarlı kanalları eksprese edecek şekilde genetik olarak mühendisliğini yaparak elektriksel özelliklerini kontrol etmek amacıyla optogenetik adı verilen devrim niteliğinde bir strateji geliştirmişlerdir. Bu kanalların hedeflenmiş ışıkla aktive edilmesi sayesinde, belirli nöronlar daha önce mümkün olmayan bir hassasiyetle uyarılabilir veya inhibe edilebilir, bu da nöronal devrelerin ayrıntılı manipülasyonuna olanak tanır.

Tarihi önemli noktaları gözden geçirdiğimize göre, günümüzde nörofizyologlar tarafından sorulan bazı  temel soruları inceleyelim.

Başlangıç olarak, bazı araştırmacılar tekil nöronların hücresel ve moleküler düzeydeki işlevlerinin nasıl düzenlendiğine odaklanmaktadır.

Örneğin, dendritler üzerindeki spesifik reseptörlerin, bir aksiyon potansiyeline yol açabilecek olan postsinaptik yanıta nasıl katkıda bulunduğunu çalışabilirler. Ayrıca, nöronal eksitasyonun ve presinaptik mekanizmanın nörotransmitter salınımını nasıl etkilediğiyle ilgilendikleri, sinapslardaki eksitasyon-sekresyon eşleşmesini de araştırabilirler.

Diğer nörofizyologlar ise nöronların, dendritik ağaçlarında aldıkları bilgileri nasıl işlediklerini sorgularlar. Tek bir nöronun aksonunu, dendritlerini ve dendritik dikenlerini aynı anda incelemek için birden fazla teknik kullanabilirler.

Bazı nörofizyologlar, nöronal devrelerin bilgiyi nasıl işlediğini çalışırlar. Devreler genellikle, kontrol ettikleri düşünülen basit bir davranış veya stimulus yanıtı bağlamında incelenir.

Bazı nörofizyologlar, sinir sisteminin geniş bölgelerindeki aktivite kalıplarına bakarlar. Sarı ve kırmızı ile gösterilen beyin aktivitesinin, denek ne yapıyorsa ona bağlı olarak beyin bölgeleri arasında nasıl hareket ettiğini sorgulayabilirler.

Gördüğünüz gibi bir nörofizyolog, nöronlardaki tekil moleküllerden beyindeki yaygın aktiviteye kadar geniş bir yelpazedeki bilimsel sorularla ilgilenebilir.

Nörofizyologların sorduğu temel sorulardan bazılarına aşina olduğumuza göre, bu soruları yanıtlamak için kullanılan önde gelen yöntemlerin bazılarına bakalım.

Patch clamp, nöronları hücresel ve moleküler düzeyde incelemek için en yaygın kullanılan tekniklerden biridir. Hafif bir vakumlama kullanılarak, ince bir cam kılcal elektrot nörona sabitlenir ve böylece tüm hücre uyarılabilirliğinin dahili olarak izlenmesi sağlanır. Ayrıca, membrandan küçük bir parçanın hücreden kesilip çıkarıldığı ve böylece plazma membranının sitoplazmik tarafına farmakolojik manipülasyon için erişim sağlayan patch clamp konfigürasyonları da mevcuttur.

Kalsiyum görüntüleme, tüm nöron boyunca uyarılmayı incelemek için kullanılabilir. Nöronlar, hücre içindeki kalsiyum konsantrasyonundaki artışa yanıt olarak floresans özelliği değişen bir boya ile yüklenir. Hücre içi kalsiyumun birçok işlevi olsa da, kalsiyum görüntüleme, bu örnek nöronda gösterildiği gibi, aksiyon potansiyellerinin dolaylı bir ölçümü olarak kullanılabilir.

Sinir devrelerini incelemek için kullanılan tekniklerin, birçok nöronu aynı anda izleyebilmesi gerekir. Çok sayıda kontağa sahip çok elektrotlu dizilerin kullanımı, birden fazla nörondan eş zamanlı kayıt almak için kullanılan yöntemlerden biridir.

Sinir devreleri, nöronların ışığa duyarlı iyon kanalları eksprese edecek şekilde modifiye edildiği optogenetik kullanılarak da incelenebilir. Işığa maruz kaldıklarında bu kanallar açılır ve iyon seçiciliklerine bağlı olarak nöronu ya inhibe ederler ya da uyarırlar; bu da söz konusu nöronun belirli bir devrede hangi rolü oynadığı ve bu devre tarafından yönetilen davranışsal yanıt hakkında bilgi sağlar.

Aktivite örüntülerini daha geniş bir ölçekte görselleştirmek için çeşitli teknikler kullanılır. Elektroensefalografi veya EEG, tüm beyindeki elektriksel aktiviteyi izlemek için kafatası üzerinde elektrotlar kullanır.

İkinci bir yöntem ise, elektrotların beynin yüzeyine yerleştirildiği ancak yine elektriksel aktiviteyi izleyen elektrokortikografi veya ECoG'dir. Bu yöntem genellikle, epilepsi hastalarında uygulananlar gibi klinik bir prosedürle birlikte gerçekleştirilir. Alternatif olarak, fonksiyonel yakın kızılötesi spektroskopi olarak bilinen bir teknik, nöral aktivitenin bir korelası olarak oksijen kullanımını izlemek için kızılötesi ışık kullanır ve bu süreç davranışsal görevler sırasında takip edilebilir.

Bazı yaygın araştırma yaklaşımlarına aşina olduğunuza göre, nörofizyolojik araştırmaların bazı uygulamalarına göz atalım.

Bu alanın temel hedeflerinden biri, epilepside olduğu gibi sinir sistemi disfonksiyonunun nedenini ve tedavisini belirlemektir. Yaklaşımlardan biri, beyindeki nöbetlere neden olan disfonksiyonel bölgeleri lokalize etmek amacıyla, hastanın beyin aktivitesinin elektrokortikografik kayıtları için elektrotlar implante etmektir.

Nörofizyoloji için heyecan verici yeni bir uygulama, beyin-makine arayüzlerinin geliştirilmesidir. Bu arayüzlerde, denek ekrandaki bir imleci hareket ettirmek gibi bir görevi yapmayı düşünürken beyin aktivitesi izlenir. Bu aktivite, imleç için komut sinyali olarak bilgisayara aktarılır. Esasen bu, düşünce yoluyla cihaz kontrolüdür.

Nörofizyolojinin bir başka uygulaması da optogenetik kullanılarak nöral devrelerin araştırılmasıdır. Genetiği değiştirilmiş bir farenin beynine implante edilen bir kuplöre bağlanan fiber optik bir kablo düzenleyerek, bu araştırmacılar tanımlanmış nöral devrelerin uyarılmasının davranışsal sonucunu doğrudan görselleştirebilirler.

JoVE'nin nörofizyolojiye ve sinir sistemi çalışmalarına giriş videosunu izlediniz. Tarihsel gelişmeleri, nörofizyologların yanıt aradığı temel soruları ve kullandıkları bazı teknikleri gözden geçirdik.

İzlediğiniz için teşekkürler!