Canlıların doğumdan ölüme kadar yaşamlarını sürdürebilmeleri için sürekli olarak vücutlarında metabolik aktiviteler gerçekleşir. Nefes almak, yani oksijen soluyup karbon dioksit vermek canlıların daimi olarak yapmakta olduğu en temel metabolik aktivitelerden biridir. Genellikle pek düşünmeden yaptığımız bir eylem olan nefes alma, isteğe bağlı olarak kontrol altına alınabilir. Özellikle dalıcılar ve opera sanatçıları için nefes almanın kontrol edilebilirliği önemli bir özelliğimizdir.
Nefes alma, yaşamın devamı için kritik olan bir dizi sinir devresi tarafından karmaşık bir şekilde yönetilir, ve bu devrelerin merkezi komuta merkezi beyincikte bulunan bir sinir ağıdır. Beyincik, beyin tabanında yer alan ve kalp atışı, kan basıncı, bilinç, refleksler, yutma, kusma, motor koordinasyonu, uyku-uyanıklık döngüleri, sıcaklık, ağrı modülasyonu ve işitsel-görsel reflekslerin düzenlenmesi gibi bir dizi hayati fonksiyonun gözetildiği kritik bir kontrol merkezidir.
Beyincik, medulla oblongata, pons ve orta beyin olmak üzere üç bölümden oluşur. Bu bölgeler omurilik ve daha derin beyin yapıları arasındaki bağlantıyı sağlayan bir köprü olarak hizmet eder. Solunum olayında, medulla oblongata ön plana çıkar. Bu bölge solunum sürecini başlatma ve düzenleme sorumluluğunu taşıyan solunum merkezlerine ev sahipliği yapar. Solunumun ritmik doğası, özellikle medulla içindeki özel nöron devreleri arasında bir etkileşim gerektirir. Bu devreler, solunum kaslarını, özellikle diyaframı, senkronize bir şekilde çalıştırarak akciğerlere hava girişini ve çıkışını kolaylaştırır.
Memelilerde, dinlenme anında gerçekleşen tipik bir nefes, diyaframı kontrol eden kasların aktif kasılmasını içeren inspirasyon fazı yani nefes alma ve ardından gelen ekspirasyon fazı yani nefes vermeden oluşur. Metabolizma arttıkça, örneğin egzersiz yaparken, ekspirasyon kasları, akciğeri boşaltmak için aktif bir şekilde devreye girer, böylece bir sonraki inspirasyon daha hızlı bir şekilde daha fazla hava çekebilir. Ayrıca bazı zamanlarda iki faza ek olarak post-inspirasyon olarak adlandırılan üçüncü bir faz gerçekleşebilir. Örneğin heceleri uzatarak şarkı söylerken bu faz gerçekleşir. Post-inspirasyon fazı üst hava yolu kaslarının nefes verirken aktif kasılmasıyla hava çıkışını yavaşlatan bir ekspiratuvar fazdır.
Diyaframın yapısı nasıldır?
Diyafram, solunum sisteminin önemli bir kaslı organıdır ve karın boşluğunu göğüs boşluğundan ayırır. Bu kas, sternal (göğüs) kısmı ve lomber (bel) kısmı olmak üzere iki bölümden oluşur. Diyaframın kas lifleri, birbirine kenetlenmiş şekilde yayılmıştır ve bu yapı, solunum sırasında kasın çekilmesi ve gevşemesi ile göğüs boşluğu hacmini düzenler.
Diyafram, solunumun ana aktörü olarak görev yapar. Nefes alma sırasında, diyafram kasılır ve düzleşir, göğüs boşluğunu genişleterek akciğerlere hava çekilmesini sağlar. Nefes verme sırasında ise, diyafram gevşer ve kubbe şeklini alarak akciğerlerden hava verilmesini kolaylaştırır. Bu kas, solunumun yanı sıra öksürme, hapşırma ve karın içi organların desteklenmesi gibi çeşitli fonksiyonlarda da rol oynar.
Diyafram, kas lifleri, sinir lifleri ve kan damarlarından oluşur. Bu kompleks yapı, solunum sisteminin düzenlenmesinde kilit bir rol oynar ve vücut için oksijen alış-verişini mümkün kılar.
Nefes alıp verme için bahsettiğimiz inspirasyon fazı, ekspirasyon fazı ve post-inspirasyon fazı, beyinciğin önünde yer alan beyinsapındaki medulla bölgesinde üç tane devrenin etkileşimiyle kontrol edilir. Üç devre arasında en iyi incelenen devre inspiratuvar fazı kontrol eden Pre-Bötzinger kompleksi (preBötC)'dir. Bu özel bölge, solunum desenlerinin ritmik üretiminde temel rol oynar.
PreBötC, 1990'ların başlarında keşfedilmiştir. Yenidoğan sıçan yavrularında beyinsapı ve omurilikte solunum döngülerine karşılık gelen ritmik uyarıları oluşturan hipoglossal sinir (dil kaslarını uyaran) ve frenik sinir (diyaframı uyaran bir sinir) dahil olmak üzere birkaç sinirden gelen sinyaller kaydedilmiştir. PreBötC devresindeki sinir hücrelerinin, dil kaslarını uyaran sinirde ritmik aktivite üretebilmek için ritmik bir şekilde uyarıldığı tespit edildi. Özellikle preBötC devresinin yaklaşık 500 mikrometrelik bir kesitindeki hücrelerin, dil kaslarını uyaran siniri harekete geçirmek için yeterli olduğu bulundu. Sonraki çalışmalar, preBötC devresindeki nöronların aksonlarının, nefes alma motor nöronlarına ulaşan nöronları aktifleştirerek nefes almanın bu bölgede kontrol edildiğini ortaya koydu.
Nefes alma ritmini oluşturmakta görevli sinir hücrelerinin yapısı nasıldır?
Nefes alıp verme ritmini oluşturan sinirsel mekanizmalar, yoğun çabalara rağmen henüz tamamen çözülemedi. Bu da preBötC nöronlarının karmaşıklığı ve heterojenisitesini yani çok kökenliliğinden kaynaklanmaktadır. Ritim oluşturmak için birkaç bin uyarıcı nöron, birincil olarak rol almaktadır. Bu nöronlar Dbx1 transkripsiyon faktörünün, yani genlerin ifade edilmesinde rol alan bir proteinin, sentezlendiği progenitör hücrelerden türeyen hücrelerdir. Dbx1 transkripsiyon faktörü bozuk olan mutant farelerde, bu preBötC nöronları gelişemez ve fareler doğumda nefes alamazlar. Böylelikle Dbx1 transkripsiyon faktörünün nefes almayı kontrol eden mekanizmalardaki kritik rolü dikkat çekmektedir. Kontrol farelerin beyinsapı kesitlerindeki ve Dbx1 mutant farelere ait beyinsapı kesitlerindeki sinir hücrelerinden sinyaller toplanmıştır. Elde edilen elektrofizyolojik kayıtlarla ve Ca2+ iyonunun görüntülenmesiyle, kontrol fare beyinsapı kesitlerinde doğumdan birkaç gün önce preBötC nöronlarının ritmik aktivasyonu saptanabilmiştir. Ancak, Dbx1 mutant farelere ait beyinsapı kesitlerinde bu aktivasyon tespit edilememiştir. Dahası, Dbx1 transkripsiyon faktörü sentezlenen progenitör sinir hücrelerinden (Dbx1+), türeyen preBötC nöronların nefes almanın fazını değiştirebileceği veya büyüklüğünü artırabileceği görülmüştür. Bu deneyler bir araya getirildiğinde, Dbx1+ progenitörlerden türeyen preBötC nöronlarının nefes almada oynadığı merkezi bir rolü ortaya koyar. Canlı dokularda her bir sinir hücresiyle yapılan (in vivo) kayıtlar gösteriyor ki, bu nöronlar oldukça heterojendir ve fonksiyonel olarak farklılıklar gösterirler. Bazı nöronlar sadece nefes almadan hemen önce ateşlenirken yani uyarılırken, diğerleri nefes alma sırasında veya sonrasında ateşlenir. Nöronların bazıları ritmi oluşturmakta görevli iken, diğerleri motor hücrelerine bağlanan sinir hücrelerine bilgileri iletir. PreBötC devresindeki sinir hücrelerinin çeşitliliği ve art arda uyarılma prensipleri nefes almanın düzenli ve tekrarlı bir şekilde gerçekleşmesine katkı sağlar.
PreBötC nöronlarının genetik ayrıştırılmasıyla, özel işlevlere sahip alt kümeleri ortaya koyulmuştur. Dbx1+ progenitörlerden türeyen preBotC nöronlarının bir alt kümesi, yükselen aksonlarını locus coerüleus'a ulaşır, burada norepinefrin nöronlarıyla sinaptik bağlantılar kurarak uyanıklık ve sakinlik gibi beyin durumlarını düzenler. Bir diğer preBotC nöron grubu ise neuropeptitlerle uyarılır. Akciğerdeki çökmüş alveollerin tekrar şişirilmesi ya da üzüntü ve rahatlama gibi duygusal durumlar nedeniyle tetiklenen, normal soluk almanın iki katı büyüklüğünde "iç çekiş" dediğimiz soluğun gerçekleşmesini kontrol eder.
Solunum ritimleri ayrıca yutma, yalama, kemirgenlerin bıyığını hareket ettirmesi ve insanların konuşması gibi ağız ve yüzdeki (orofasıyal) aktivitelerle de yoğun bir etkileşim içindedir. Özellikle kemirgenlerin bıyığını hareket ettirmesi ve yalama gibi ritmik hareketler, solunumla koordine olarak geçekleşir. Örneğin, yutma hareketi de nefes alma gibi preBötC tabanlı ritmin kontrolündedir ve bu iki olay aynı anda gerçekleşmez. Böylece, yiyeceğin yanlışlıkla solunum yollarına girmesi önlenir. Bu yüzden, preBötC tabanlı ritmin ağız ve yüzdeki hareketlere ait farklı motor hücrelerini kontrol eden bir ana saat işlevi görmekte olabileceği öne sürülmüştür. Dolayısıyla solunumun sinirsel mekanizmalarını araştırmak, motor kontrolün birçok yönünü anlamaya ve soluma ait sinirlerin uyanıklık ve duygusal düzenleme ile ilgili daha derin beyin merkezleriyle kurduğu bağlantıları anlamaya yardımcı olabilir.
