Beyin ve bilgisayarlar benzer bir devre yapısına sahiptir. Bu sistemde sinyaller sinapslar yoluyla beyindeki spesifik hedeflere (sinir hücrelerine) taşınırlar (noktadan-noktaya korunmuş sistem). Global koruma sistemi ise sadece beyinde mevcuttur. Bir kısım hücrelerden çıkan lifler dağılarak beyinin değişik bölgelerine gider. Global koruma sistemi biyo-sinyal molekülleri olarak biyojenik aminler içermektedir. Bunlar psikiyatrik bozukluklar ile yakından ilişkili olan, asetilkolin (Ach), serotonin (5-HT), katekolaminler (dopamin, noradrenalin, adrenalin) gibi moleküllerdir.

Biyojenik aminlerin nöron iletimi yanı sıra, gelişim sırasında diferansiyasyon rolü olduğu da gösterilmiştir. İlk kez Lauder ve ark, 5-HT’nin nörogenezi düzenlediğini göstermişlerdir. 5-HT’nin Helizomda sinaptogenez veya dendrogenezi inhibe ettiği gösterilmiştir. Bunun yanında embriyonik serebral kortekste in-vitro ortamda, 5-HT’nin sinaps formasyonunu hızlandırmaktadır. İn-vitro gelişmekte olan sinir sistemi ortamında, dopaminin hem inhibe edici hem de hızlandırıcı etkileri olduğu da gösterilmiştir. Noradrenalinin visio-kortikal plastisite açısından arttırıcı rolü ortaya konulmuştur.

Her ne kadar daha önceki çalışmalar in-vitro olsa da yapmış olduğumuz bir dizi çalışmada, biyojenik aminlerin gelişmekte olan ve gelişmiş hayvan sinir sisteminin büyük bir bölümünde, sinaps formasyonu ve sürekliliğinin sağlanmasında rol aldığı gösterilmiştir. Biyojenik aminlerin sinapslar üzerindeki trofik rolü, mental retardasyon ve gelişim bozukluklarının etiyolojilerinin anlaşılması açısından yeni ufuklar açacaktır.

Gelişimin kritik evrelerinde 5-HT’nin geçici yükselmesi

Sinir sisteminde 5-HT üzerine yaptığımız çalışmaların başlangıcında, tavuk spinal kordunda 5-HT liflerinde gelişimsel değişiklikler saptanmıştır. 5-HT spesifik antikorlar kullanarak, 5-HT pozitif lif densitelerinde embriyonik 8nci gün itibariyle lineer bir artış gösterilmiştir. Bu artış, yumurtadan çıktıktan sonraki birinci haftada en üst düzeylerine ulaşmakta olup, daha sonraları yetişkin düzeylerine düşmektedir.

5-HT liflerindeki bu tür bir geçici artış aynı zamanda rodentlerde de gösterilmiştir. Yakın zamanlı bir çalışmada 5-HT liflerinin, raphe nükleustan çıkanlar ile aynıları olmadığını göstermiştir. 5-HT lifleri tarafından salgılanan 5-HT, geçici 5-HT transportır üreten talomokortikal lifler tarafından ödünç alınmaktadır. Bahsedilmiş olan bu geçici 5-HT yükselmesi talomokortikal liflerde gerçekleşmektedir. Ödünç alınan nörotransmiterin talomokortikal ilişkilerin diferansiyasyonunda trofik rol oynadığı ileri sürülmektedir.

5-HT sinaps formasyonu ve idamesini sağlıyor

Geçici 5-HT yükselmesinin fonksiyonunun açığa kavuşturulabilmesi için, p-klorofenilalanin (pCPA) (5-HT metabolit blokeri), p-kloramfetamin (5-HT nörotoksin), ve rezerpin (monoamin düzeyi azaltıcı) gibi çeşitli maddeler ile 5-HT’nin uzaklaştırılmasından sonra, tavuk spinal kordunda selüler ve subselüler yapısal değişiklikleri araştırdık. En belirgin değişiklik sinaptik yapılarda gözlendi. Yumurtadan çıktıktan bir hafta kadar sonra 5-HT’nin uzaklaştırılması ile, 5-HT liflerinin bulunduğu spinal kortta, sinaps densitesinde %70’lik bir düşüş gözlendi. 5-HT liflerinin bulunmadığı serebellumda ise sinaps yoğunluğunda bir değişiklik olmadı. Sinaps yoğunluğundaki en fazla azalma, 5-HT liflerinin en yoğun olduğu bölgelerde meydana geldi. Sinaptik kayıp, değişik maddeler ve metotlarla sağlanan, doza bağımlı biçim gösterdi. Bu deneylerin sonucu geçici 5-HT yükselmesinin sinaptik formasyonu sağladığını işaret etmektedir.

6 aylık yetişkin tavuğa bir hafta boyunca pCPA enjeksiyonu uygulayarak, spinal korttaki sinaps yoğunluğunu araştırdık. Kontrol grubuna göre sinaps yoğunluğunda %30-60 bir azalma gözledik. 5-HT, yetişin tavukta da normal sinaps yoğunluğunun idamesi için gerekli görünmektedir. Sinapslar santral sinir sisteminin tümünde olmasa bile bazı bölgelerinde, statik değil dinamik bir yapı göstermektedir. 5-HT, sinaptik döngü için sinaps oluşumunu veya remodeling’i sağlıyor olabilir.

5-HT2A reseptörlerinin fonksiyon ve lokalizasyonu

5-HT’nin sinaps oluşumundaki rolüne aracılık eden 5-HT reseptör alt gruplarını belirlemek amacıyla, tavuk embriyosu kullandık. Her bir reseptör alt grubu için antagonist ve / veya agonist, embriyonik 11-16ncı günlerde günde bir kez olmak üzere enjekte ederek, ventral boynuzdaki değişiklikleri araştırdık.

Bir 5-HT2A reseptör antagonisti olan, ketanserin enjeksiyonu sonrası sinaptik yoğunluk doza bağımlı bir paternde azalma göstererek, en yüksek dozda %30’luk bir sinaptik kayıp ortaya çıktı. Bir 5-HT2A reseptör agonisti olan DOI, maksimum ketanserin dozu ile birlikte enjekte edildi. DOI dozuna bağlı bir paternde sinaptik yoğunlukta artış gözlendi. DOI ketanserin etkisini kompanse ederek, sinaptik densite maksimum DOI dozu alan kontrol grubu kadar yüksek bulundu. 5-HT2A reseptörü rat serebral korteksinde de benzer bir role sahiptir. Alfa1reseptörü noradrenalin rolünü düzenleyerek, rat vizüel korteks sinaps formasyonunu ve idamesi sağlamaktadır.

5-HT2A, majör 5-HT reseptörlerinden biridir. 5-HT2A reseptörleri Alzheimer, şizofreni, depresyon ve stres gibi hastalıkların patofizyolojisi ile yakından ilişkilidir. 5-HT2A reseptörlerinin beyindeki selüler ve subselüler dağılımını ortaya koyabilmek için, özel 5-HT2A reseptör antikorları oluşturuldu. Tüm serebral kortekste yaygın olarak reaksiyon gözlenirken, tüm kortikal nöronların 5-HT2A reseptör proteini eksprese ettiği ortaya konuldu. Piramidal hücrelerin bazı profil ve apikal dendritlerinin güçlü biçimde işaretlendiği görüldü. İmmünopozitif yapılar, muhtemelen glutamaterjik yapıda olan, asimetrik sinapsların post sinaptik membranlarının altında lokalize oldu.

5-HT junksiyonel veya nonjunksiyonel nörotransmisyonu regüle eder

Muhtemel glutamaterjik post sinaptik 5-HT2A reseptör benzeri immünoreaksiyonların bulunması nedeniyle, 1 haftalık pCPA kullanımıyla 5-HT deplesyonu sonrası 6 haftalık rat serebral korteksinde, glutamat reseptör bağlanma kapasitesini araştırdık. Kinat ve NMDA reseptör bağlanmasında bir değişiklik saptanamadı. Bunun yanında, AMPA reseptör bağlanmasında %35’lik artma gözlendi. GulR1 subtipinde kontrole göre %40 bir artış gözlendi. Benzer sonuçlar ketanserin enjeksiyonu ile de gözlendi. Serebral korteksteki majör GluR reseptör subtipi GluR2 olup, nöronal kalsiyum influksunu inhibe etmektedir. GluR2artışı serebral kortekste sinaptik plastisite kaybına işaret etmektedir.

Sinaptik membran juksiyonları olan 5-HT pozitif sinapslar nadir lokalizasyon göstermektedir. 5-HT’nin sinaptik plastisiteyi nonjunksiyonel veya difüzabıl bir paternde regüle ettiği düşünülmektedir. 5-HT intraselüler penetrasyon sonrası glutamaterjik sinapsların post sinaptik yapılarına ulaşmakta, GluR subtiplerinin oranında değişime neden olarak, glutamaterjik iletiminin eksitabilitesini değiştirmektedir. Farklı 5-HT azaltıcılarının enjeksiyonu sonrası 6 haftalık rat pariyetal korteksinde, doza bağımlı bir paternde aksodendritik ve aksosomatik yoğunluk azalmaktadır. 5-HT plastisiteyi, sinaps sayısı ve glutamaterjik transmisyon eksitabilitesi idamesi ile düzenlemektedir.

Biyojenik aminlerin normal sinaps sayısını koruması öğrenme ve hafıza açısından gereklidir (uzun dönem potansiyasyonun yanında - LTP)

5-HT’nin yanında, biyojenik aminler sinaps formasyon ve idamesini sağlamaktadır. İlaçlar ile biyojenik aminlerin engellenmesi sonrasında sinaps densitesindeki değişikliklerin, hayvanlarda öğrenme ve hafıza yeteneği üzerine etkileri nelerdir?

İntraperitoneal pCPA enjeksiyonu ile 5-HT’nin ve hipokampustaki Ach’nin intraventriküler nörotoksin (AF64A) enjeksiyonu ile uzaklaştırılmasından 2 hafta sonra sinaps densiteleri, majör hipokampal devrelerin sinaptik kontak yaptığı alanlarda azalma gösterdi. En büyük sinaptik kayıp, CA3’ün radiatum tabakasında ortaya çıktı. İlaç tedavisi uygulanan hayvanlarda hafıza edinme açısından belirgin bir gerileme gözlendi (Morris labirenti) (kontrol grubuna göre iki kat fazla zaman harcadılar). Her ne kadar geri kalmış olsalar da ilaçlı tedavi grubunda mekansal hafıza kazanılmış olup, LTP kaybolmuştur. Bu bulgular, hipokampusta Ach ve 5-HT ile normal sinaps sayısının muhafazasının LTP’den çok mekansal hafıza açısından önemli olduğunu göstermektedir.

Nörodevelopmental bozukluklar ve çevresel faktörlerce mental retardasyon ve gelişim gerilikleri için bir kaskad

Daha önceki çalışmalarımızda, biyojenik aminlerin beyinin çeşitli bölgelerindeki sinapsların formasyonu ve idamesindeki rolü gösterilmiştir. Bu mental retardasyon ve gelişim geriliklerini açıklığa kavuşturabilecek bir bulgudur. Bir çok nörodevelopmental bozuklukta ve çevresel faktörde biyojenik amin seviyelerinin düştüğü bilinmektedir. Tüm bu bilgiler ışığında, nörolojik bozukluğu olan veya zararlı çevresel etkenlerden etkilenmiş olan çocukların beyinlerinde sinapsların tam olarak oluşmamasına neden olan bir kaskad olabilir.

Biyojenik amin azalması nedeniyle ortaya çıkan sinaptik kayıp doğumdan sonraki ilk yıl içinde en trajiktir. Normalde beyindeki sinapslar doğumdan sonra en yüksek üretimi gösterirler. Sinaptik yoğunluk doğumdan sonraki birinci yılda en yüksek seviyesine ulaşmaktadır (doğum zamanına göre iki kat fazla). Yaklaşık 10 yaşına kadar da yetişkin seviyelerine düşmektedir (yaklaşık doğun sırasındaki düzeylere).

Nörodevelopmental bozukluklar

Beyinde düşük biyojenik amin düzeyi olan bir çok nörodevelopmental bozukluk mevcuttur. Rett sendromu, fenilketonüri, Down sendromu, otizm, Prader-Willi sendromu, de Lange sendromu, Lesh-Nyhan sendromu ve Hartnup hastalığı bunlara örnektir. Her ne kadar genetik ve patofizyolojik mekanizmaları farklı olsa da, beyin biyojenik amin düzeyleri düşüktür.

Down sendromlu yetişkinlerde beyin biyojenik amin düzeyleri oldukça düşü bulunmuştur. Down sendromlu çocukların beyinleri ile ilgili bilgi mevcut olmasa da, Down hastalarında gelişimin kritik periyodunda 5-HT sisteminin farklılaşmadığı düşünülmektedir. 5-HT pozitif sinir lifleri ilk olarak gestasyonun 16ncı haftasında fetus vizüel korteksinde ortaya çıkmaktadır. Serebral korteks ve hipokampustaki 5-HT1a reseptörleri gestasyonun 24ncü haftası civarı pik yapmaktadır. 5-HT1A reseptör geni 21nci kromozomda lokalize olup, Down sendromlu fetusların 5-HT1A reseptör düzeyleri normallerin çok altında bulunmaktadır. Daha önceleri yapılmış deneysel bir çalışmada astrositler tarafından üretilen S-100-beta proteinin 5-HT lifleri tarafından alınarak, embriyonik gelişim sırasında 5-HT nöronlarına diferansiyasyonda kullanıldığı gösterilmiştir. Astrositlerdeki 5-HT1A reseptörü S-100-beta proteini üretimi için 5-HT fonksiyonunu idare etmektedir. Down sendromlu hastalarda 5-HT1A reseptörlerinin düşük miktarlarda bulunması, 5-HT nöronlarının ve sinapsların tam olarak farklılaşamamasına ve oluşamamasına neden olmaktadır. Gerçekte Becker tarafından yapılmış olan daha önceki bir çalışma da bu bulguları desteklemektedir. Dendritik spinalar nöronların sinaptik kontaklarında lokalize olduklarından, spina yoğunluğunda gelişimsel değişiklikler izlenmektedir. Piramidal hücre dendritlerindeki spina yoğunlukları doğum sonrası gelişim süresince artmakta, 1 yaş civarı pik yapmakta, daha sonra da yetişkin düzeylerine gerilemektedir.sinaptik aşırı üretimde olduğu gibi, serebral korteksteki spinalarda kritik gelişim periyodu boyunca aşırı üretim göstermektedir. Down sendrom hasta beyinlerindeki spina densite değişiklikleri normal gelişimden farklılık göstermektedir. Down sendrom hastalarında spina aşırı üretimi bulunmamakta, spina densitesi doğum sonrası gelişim süresince azalmaktadır.

Çeşitli dış (epigenetik) faktörler nedeniyle olaşan mental retardasyon ve gelişimsel gerilikler

Pre- ve post-natal dönem içindeki beslenme faktörleri beyin 5-HT düzeylerinde önemli değişikliklere neden olmaktadır. Düşük nütrisyonel diyet ile beslenen rat yavruları beyinlerinde 5-HT düzeyleri belirgin olarak yüksek bulunmuş, bunun tersi değişikliklerde neonatal periyotta düşük nütrisyonlu süt ile beslenen hayvanlarda saptanmıştır.

Embriyonik 20 günde prenatal alkol maruziyeti fetus 5-HT düzeylerinde düşüşe neden olmakta, dişi yavrularda yetişkin yaşta 5-HT sentezinde düşüklük olmakta ve maternal davranış paterni eksikliği gözükmektedir. Prenatal alkol nedeniyle 5-HT düzeyi düşüklüğü, normallere göre beyin sinaps sayısında düşüklüğe neden olmaktadır. Prenatal kokain maruziyeti de çocukta nörodevelopmental bozukluklara neden olmaktadır. Yapılan bir hayvan çalışmasında, prenatal kokain maruziyetinin neonatal gelişim sırasındaki 5-HT sistemi matürasyonunu geciktirdiğini göstermiştir.

Pre- ve post-natal stresinde santral sinir sisteminde gelişimsel defektlere neden olduğu ileri sürülmektedir. Mental retardasyon ve davranış bozuklukları insidansı, geç gestasyonel dönemde ağır mental stresten etkilenen annelerin çocuklarında, normallere göre iki kat yüksek bulunmuştur. 5-HT tarafından düzenlenen sinaps mekanizmasının, hamileliklerinin belirli dönemlerinde strese maruz kalan annelerin çocuklarının santral sinir sistemi gelişimsel defektlerinde rol oynadığı ileri sürülebilir. Bu hipotezi denemek üzere hamile ratlar kalabalık bir kafese konularak, gestasyonel 15-21nci günler arası günlük subkütan salin enjeksiyonu ile ağrılı bir deneyime maruz bırakıldılar. Kontrol grubuna göre, hipokampus 5-HT düzeyi ve sinaptik densitede, doğumdan sonraki 35nci günde %36’lik bir düşüş gözlendi. Her iki grubun yavrularında Morris testi benzer sonuçlar verirken, Revers Morris testinde farklılıklar bulundu. Strese maruz kalan annelerin yavrularında yeni kaçış kapısını bulamak, kontrol grubuna göre iki kat daha fazla zaman aldı. Prenatal stres, yavruların yeni durumlara uyum sağlamasını zorlaştırdı. Bunun yanında post-natal stresinde daha sonraki yaşamda, hipokampustaki 5-HT ve glukokortikoid reseptör seviyelerinde değişikliğe neden olduğu bilinmektedir.

Geleceğe bakış

Biyojenik amin- sinaps mekanizması, mental retardasyon ve gelişim geriliklerini biyolojik açıdan nedenlerini ve sonuçlarını açıklayabilecek bir hipotezdir. Bu hipotez insan ve değişik hayvan deneyleri ile sınanacaktır.