2013. júl 26.

75. Az agy építőkövei

írta: _Maverick
75. Az agy építőkövei

A világban az a legérthetetlenebb, hogy egyáltalán megérthető!”

-Einstein-

neuron_anim.gifEinstein gondolata jól rávilágít arra, hogy a világunk által tartogatott számos rejtély közül mindmáig az egyik legnagyobb agyunk működésének a mikéntje. Ebből adódóan a modern technika vívmányai adta lehetőségeket kihasználva az agykutatás – és ezzel együtt a neurológiai betegségek gyógymódjainak keresése - az egyik legaktívabb területté vált a tudomány berkein belül. Napjainkban igazi aranykorát éli ez a tudományág, sorra létesülnek a szürkeállományunk megértését és modellezését célzó nagyszabású projektek, melyek hétről-hétre szolgáltatnak ámulatba ejtő eredményeket. Többek közt az egészen kiváló Neuroscience News weboldal bőséges forrásának köszönhetően szinte alig lehet lépést tartani a friss hírekkel azok mennyisége miatt. Mi sem maradhatunk le hát!

A blog hasábjain már eddig sem fukarkodtunk a témakörnek szentelt karakterek számával, de végigpislantva a megírandó témák nem túl rövid során rá kellett jönnünk egy hiányosságra: ahhoz, hogy egyáltalán meg legyen az esély az információ érthető módon történő átadására, szükséges némi fogalommagyarázat, egyfajta bevezető, amire mindig visszautalhatunk, ez pedig mindeddig nem született meg. Hogyan is mesélhetnénk az Alzheimer- vagy a Parkinson-kór esetleg a szklerózis multiplex gyógyításával kapcsolatos lélegzetelállító fejleményekről anélkül, hogy legalább vázlatosan megismerkednénk agyunk apró építőköveivel? Ezen megfontolások miatt tovább után a mintegy labdányi szervünk legparányibb alkotóelemeit vesszük górcső alá, és összebarátkozunk az idegsejtek közt cikázó ingerületekkel is egy óriás tintahal segítségével!

1pyramidal.jpgAz emberiség agyról alkotott nézeteinek evolúciójáról szóló cikkünkben már említést tettünk arról, hogy Ramón y Cajal az 1900-as évek elején elsőként igazolta: agyunk különálló sejtekből épül fel. Ez a mára már teljesen evidensnek tűnő gondolat az adott korban forradalmi újdonság volt, hiszen szakított azzal a képpel, miszerint a lélek otthonának strukturális szempontból is „többről kell szólnia”, mint a test más részeinek. A fényképen ezen sejtek egy típusából, a kéregben található piramis sejtekből láthatunk egy bokrétára valót. Ha figyelmesen szemügyre vesszük a részleteket, akkor láthatjuk: a növényekkel vont párhuzam nem is csak a szófordulat miatt adja magát, hanem egyszersmind utal a sejtek felépítésére is. Olybá tűnik, hogy egy kis csomóból alul sűrű gyökérzet ágazik szét, felfelé pedig egy hosszú szár nyúlik, mely a csomótól távol cédrusokra emlékeztető lombkoronát ereszt. Nézzük meg mindezt kicsit közelebbről, valamivel tudományosabb szempontból!

2neuron.jpg

Az idegsejt, vagyis a neuron központi része (a csomó) a sejttest. A sejttestből ágaznak szét a dendritek (gyökérzet), melyek az idegsejtek közt terjedő elektromos ingerületek sejtenkénti bemenetéül szolgálnak. A kimenet az axonnak (szár) nevezett hosszú nyúlvány, melynek elágazó végződései (lombkorona) más idegsejtek dendritjeihez kapcsolódnak.

Van tehát bemenetünk és kimenetünk is - ráadásul mind a kettőből akad szép számmal –, de milyen jelet közvetítenek ezek a sejtek? A választ Sir Alan Lloyd Hodgkin és Sir Andrew Fielding Huxley adta meg egy két élet munkájának eredményeként. 1939-ben egy óriás tintahal axonját vizsgálva mérték ki a szóban forgó ingerületet, az akciós potenciált („spike”), melynek elméletét és matematikai modelljét 1952-re állították fel, és ezért 1963-ban meg is kapták a megérdemelt Nobel-díjat. Az akciós potenciál nem más, mint az idegsejt belseje – vagyis a membránon belüli rész – és a környezet között mérhető potenciálkülönbségben bekövetkező változás. Sejtjeink membránjain keresztül ugyanis különböző ionok közlekedhetnek a megfelelő csatornákon át, és ezen csatornák áteresztőképességének megváltozása a töltött ionok – a döntő szerep a káliumé és a nátriumé – koncentrációjának, egyúttal a potenciálnak a megváltozásához vezet.

GiantSquid_m_0320.jpgA felfedezéshez azért volt szükség az óriás tintahal közreműködésére, mert az állat hatalmas axonokkal rendelkezik, melyek elegendően vastagok voltak ahhoz (0,5 mm), hogy Hodgkin és Huxley elektródák segítségével kimérhessék a potenciálkülönbséget a sejt belseje és a külső tér közt. Egy emberi axon átmérője a mikrométeres nagyságrendbe esik, ami 1939-ben teljességgel kizárta egy hasonló kísérlet lehetőségét.

spike_1.jpgTérjünk vissza magához a jelhez! A nyugalmi potenciál nagyjából -50 - -60 mV, azaz a neuron belseje negatívabb a környezetnél. Az akciós potenciál megjelenésekor ez az érték hirtelen megnő körülbelül 100 mV-al, majd ugyanolyan hirtelen vissza is áll az eredeti, nyugalmi állapotba. Az idő függvényeként ábrázolva tüske szerű alakot kapunk, amely alig szélesebb a másodperc ezredénél. Az akciós potenciál nagyon fontos sajátossága, hogy a körülményektől függetlenül mindig ugyanolyan értékekkel jellemezhető. Úgy is mondhatjuk, hogy ez egy digitális jel: vagy van, vagy nincs. Nem létezik fele ekkora, vagy éppenséggel kétszer tovább tartó jel. Ami viszont neurononként és a bemenettől függően változhat, az az egymás után kibocsátott jelek gyakorisága, de ez most nem képezi a cikk tárgyát. Elég annyit tudni jelen pillanatban, hogy újabb akciós potenciál csak bizonyos relaxációs idő eltelte után keletkezhet, mikor már visszaállt a kiindulási, nyugalmi állapot, vagyis a potenciálugrások nem rakódhatnak egymásra.

A jelünk a sejttestben keletkezik, majd végigfut az axonon, és elérkezik annak végződéseihez. Gondolhatnánk, hogy eközben veszít erősségéből, formája átalakul, ez azonban nincs így. Mindez annak köszönhető, hogy az axon a szigetelt vezetékhez hasonlítható. A szigetelést az oligodendrocyta sejtek – melyek a gliasejtek, vagyis az idegrendszer nem idegsejtes összetevőinek csoportjába tartoznak – hozzák létre, amelyek a munkavédelmet szem előtt tartó villanyszerelő módjára a mielin nevű fehérjéből készült hüvellyel borítják be az axonokat, meggyorsítva ezzel az ingerület terjedését. Jegyezzük meg jól ezeket a látszólag másodlagos összetevőket, mert oly sok más dologhoz hasonlóan az életben az ő fontosságukat is csak akkor vesszük észre, ha hiányoznak. Ez a hiány ugyanis különféle igen súlyos működési rendellenességeket okozhat az idegrendszerben.

axon-mielin.jpg

A puszta szigetelésen túl az úgynevezett Ranvier-féle befűződések – a szigetelt szakaszok közti fedetlen csomók, amelyeknél az axon el is ágazhat - is elősegítik a jel terjedését, ezek egyfajta erősítőként szolgálnak. 

csomo.jpgOtt tartunk tehát, hogy a „digitális jel” megérkezik az axon végződéséhez az akciós potenciál formájában. Az axonok más idegsejtek dendritjeihez kapcsolódnak, még pontosabban a dendriteken lévő kis csomók sokaságának egyikéhez. Egy idegsejt szerteágazó dendrithálózata – mely a sejttípustól függően különféle formákat ölthet (lásd: alábbi ábra) - összesen akár 8000 ilyen kis csomót is tartalmazhat, és ezek együttesen átlagosan 10000 kapcsolatot létesítenek. Ha ehhez hozzávesszük azt, hogy összesen nagyságrendileg 10 a 11-ediken darab neuronunk vanérzékeltetésként: ennyi kilométert megtéve 35-ször utazhatnánk a Szaturnuszig és vissza... –, akkor a kombinációs lehetőségek száma tényleg a végtelenhez közelít. A kis csomók olyan mértékben növelik meg a dendritek felületét, hogy azok az agykéreg összfelületének 60%-át teszik ki.

dendritek.jpg

synapse-photo_1.jpgAz axon és a dendrit parányi réssel elválasztott kapcsolódását nevezzük szinapszisnak. Ezen a ponton adódik át az ingerület egyik idegsejtről a másikra. Két fő típust különíthetünk el. Az elektromos szinapszisban – mely a gerinctelenekre jellemző - a két sejt igen szorosan illeszkedik, és az ioncsatornák közvetlen hidat létesítenek köztük. A kémiai szinapszisban az axon végében úgynevezett neurotranszmitter csomagok foglalnak helyet, melyek az ingerület hatására kibocsátják hatóanyagaikat. Ezek áthaladnak a szinaptikus résen (20-30 nanométerről beszélünk), és kémiai úton szabályozzák a dendrit membránjában található ioncsatornákat, ezáltal az ingerület átadását. A dendritben megjelenő jel a posztszinaptikus potenciál, amely alapvetően különbözik az akciós potenciáltól, ez ugyanis már nem univerzális formájú, hanem egy „analóg” jel. A szinapszis jellegétől függően nagysága és időbeli lefutása is változhat. Sőt, még a jel előjele sem állandó, beszélhetünk serkentő (pozitív) és gátló (negatív) posztszinaptikus potenciálról is. Ahogy azt későbbi írásainkban látni fogjuk, agyunk plasztikus mivolta éppen a szinapszisok tulajdonságainak - és a posztszinaptikus potenciál megváltoztathatóságának - eredménye, továbbá annak a ténynek, hogy életünk során szinapszisok keletkezhetnek és meg is szűnhetnek attól függően, hogy mennyire használjuk őket.

szinapszis.jpg

A dendritekben a jelterjedés is más, mint az axonokban. Az idegsejt ezen ágait nem borítja mielin szigetelés, a jelek erőssége ezért fokozatosan csökken a veszteségek következtében. Egy későbbi írásban láthatjuk majd, hogy ez a jelenség lehetővé teszi azt, hogy pusztán az érzékelők meghatározott sorrendű bekötése által képessé váljon a neuron különböző irányú mozgások felismerésére. 

Az ingerület terjedését egy sejttesttől indulva kezdtük követni, és már majdnem eljutottunk egy következő neuron azonos részéig. Azt kell még megnéznünk, hogy miként indukálnak a dendritekben keletkező posztszinaptikus potenciálok újabb akciós potenciált. Ehhez az alábbi ábrát hívjuk segítségül:

dendritbemenet.jpg

A korongok a sejttestek, a belőlük kiinduló hosszú pálcák az axonok. Az axonokon ábrázolt fekete tüskék az egymást követő akciós potenciálok. A sötétkék neuronunkhoz számos másik kapcsolódik annak dendritjein keresztül. A pirosak serkentően hatnak – ezt mutatják a kapcsolódási pontok mellett ábrázolt posztszinaptikus potenciál jelalakok –, a kék gátlóan. A dendriteken végigfutó jelek összeadódnak, és ily módon létrehoznak egy időben folytonosan változó bemenetet a sejttesten (ez a görbe látható a kis fekete mellékleten). Ha a beérkező potenciálérték átlép egy meghatározott küszöböt, akkor a neuron tüzelni kezd, és kibocsát egy akciós potenciált a következő neuronok irányába.

Ezzel a jelátadás elemi lépése végére értünk. Természetesen egy ilyen rövid bevezetőben számos részlet rejtve maradt, de remélhetőleg sikerült vázolni egy átfogó képet a legfontosabb részekről és folyamatokról, amely segíthet eligazodni az agykutatásról szóló ismeretterjesztő írások világában. Innen folytatjuk!

Forrás


A bejegyzés alapjául Idan Segev "Synapses, Neurons and Brains" című lenyűgöző online előadássorozata szolgált. 

Szólj hozzá

neuron agykutatás fókuszpont neuroplaszticitás