Beyin, eşit şartlarda mukayese edildiğinde diğer organlardan çok daha fazla enerji harcıyor. Fakat beynin nöronları, birbirlerine nörotransmiter adı verilen sinyaller göndermediği zaman bile çok yakıt tüketiyor. Şimdiyse Weill Cornell Tıp Enstitüsünde çalışan araştırmacılar, nörotransmiter paketleme işleminin bu enerji tüketiminden sorumlu olabileceğini keşfetmişler.
Dört gün önce Science Advances bülteninde yayımlanan çalışmada araştırmacılar, sinaptik kesecikler adı verilen ufak kapsüllerin atıl nöronlarda önemli bir enerji tüketim kaynağı olduğunu belirlemişler. Nöronlar bu kesecikleri, nörotransmiter moleküllerinin konulduğu birer kap şeklinde kullanıyor. Söz konusu moleküller, sinaptik terminal adı verilen iletişim portlarından diğer nöronlara sinyal göndermek üzere ateşleniyor. Nörotransmiterlerin paketlenip keseciklere konulması, kimyasal enerji tüketen bir süreç. Bilim insanları da bu sürecin doğal şekilde enerji sızdırdığını bulmuşlar. Bu süreç o kadar çok sızıntı yapıyor ki, kesecikler dolup sinaptik terminaller atıl hale geldiği zaman bile önemli miktarda enerji tüketmeye devam ediyor.
Weill Cornell Tıp Enstitüsünde anesteziyoloji biyokimyası ile biyokimya profesörü olan eş yazar Dr. Timothy Ryan, “Elde edilen bulgular, insan beyninin yakıt ikmalinin kesilmesi veya azalmasına karşı neden bu kadar hassas olduğunu daha iyi anlamamıza yardımcı olacak” diyor.
Beynin dinlenme halinde bile yüksek miktarda enerji tüketmesi, ilk olarak beynin koma ve bitkisel hayat durumundaki yakıt tüketimi üzerine onlarca yıl önce yürütülen çalışmalarda gözlenmiş. Söz konusu çalışmalarda, son derece atıl olan bu hallerde bile beynin glukoz tüketiminin sadece yarıya kadar düştüğü keşfedilmiş. Bu durum, beynin diğer organlara göre halen yüksek miktarda enerji tükettiği anlamına geliyor. Dinlenme halndeki bu enerji kaybının kaynakları, şimdiye kadar tam olarak anlaşılamamış.
Dr. Ryan ve laboratuvarı geçtiğimiz yıllarda, nöronların nörotransmiter ateşlediği tomurcuk benzeri yapıları olan sinaptik terminallerinin faaliyet halinde önemli bir enerji tükettiğini ve yakıt ikmalindeki herhangi bir bozulmaya karşı yüksek derecede hassasiyet sergilediklerini göstermiş. Yeni çalışmada ise sinaptik terminallerin inaktif olduğu zamanki yakıt tüketimini inceleyen araştırmacılar, tüketimin halen yüksek olduğunu keşfetmişler.
Bilim insanlarının keşfettiğine göre dinlenme halindeki bu yüksek enerji tüketimi, büyük oranda sinaptik terminallerde bulunan kesecik havuzundan kaynaklanıyor. Sinaptik faaliyetsizlik durumunda, keseciklerin her biri binlerce nörotransmiter ile tamamen dolu duruyor ve bu sinyal taşıyan yükleri sinapslardan eş nöronlara göndermek üzere hazır bekliyor.
Sinaptik bir kesecik tamamen dolu olduğunda bile neden enerji tüketiyor? Araştırmacılar, aslında kesecik zarında bir enerji sızıntısı; bir “protin akışı” meydana geldiğini keşfetmişler. Kesecikte yer alan özel bir “proton pompası” enziminin çalışmaya devam etmesi gerekiyor ve bu yüzden, kesecik halihazırda nörotransmiter molekülleriyle dolu bile olsa yakıt tüketiyormuş.
Yürütülen deneyler, taşıyıcı isimli proteinlerin söz konusu proton sızıntısının muhtemel kaynakları olduğuna işaret ediyor. Taşıyıcılar normalde nörotransmiterleri keseciklere götürüyor ve nörotransmiteri taşımak için şekil değiştiriyor. Fakat bunu yaparken, bir protonun da kaçmasına olanak sağlıyorlar. Dr. Ryan taşıyıcıların bu şekil değiştirme işlemindeki enerji eşiğinin, sinaptik faaliyet sırasında nörotransmiterlerin daha hızlı yeniden yüklenmesi için evrim tarafından düşük seviyeye ayarlandığını tahmin ediyor. Bu sayede daha hızlı düşünmek ve eyleme geçmek mümkün oluyor.
“Daha hızlı bir yükleme kapasitesinin olumsuz tarafı, rastgele meydana gelen ısıl dalgalanmaların bile taşıyıcıda şekil değişimini tetiklemesi ve hiç nörotransmiter sinyali yüklenmiyorken bile bu sürekli enerji kaybına sebep olmasıdır” diyor.
Kesecik başına düşen bu enerji sızıntısı ufak olsa da, insan beyninde yüzlerce trilyon sinaptik kesecik bulunduğu göz önüne alındığında bu enerji kaybının çok büyük olduğu görülüyor diyor Dr. Ryan.
Bulgu, beynin temel biyolojisini anlama bakımından önemli bir gelişme niteliğinde. Buna ilaveten beynin yakıt ikmalindeki bozulmaya karşı savunmasız olması, sinirbilimde büyük bir problem. Ayrıca, Alzheimer ve Parkinson hastalığının da içinde bulunduğu birçok yaygın beyin hastalığında metabolik yetersizlikler belirlenmiş. Bu araştırma hattı, nihayetinde önemli tıbbi bilmecelerin çözülmesine yardımcı olup yeni tedavilerin bulunmasını sağlayabilir.
“Eğer bu enerji kaybını güvenli biçimde düşürecek ve bu sayede beyin metabolizmasını yavaşlatacak bir yol olsaydı, klinik açıdan çok etkili olurdu” diyor Dr. Ryan.
