A legalapabb alapok: A jeláramlás lépései az idegsejtekben

2022. december 9, péntek

Itt az ideje, hogy visszatérjünk a sok technika után az agyműködésről szóló #agyséta szálra. A leges-legalapabb idegtudományi tudnivalókat foglalom ma össze: Hogyan összegzik az idegrendszer alap építőkövei az idegsejtek a rájuk érkező jeleket és hogyan válaszolnak rájuk?

Az idegrendszer fejlődésénél láttuk, hogy a hámsejtekből kialakult idegsejtek hosszú nyúlványokat növesztettek és a sejtek két jelátvivő rendszerét is átvették (elektromos és kémiai), majd továbbfejlesztették. Az idegsejtek 20 µm méretű sejttestében található a genetikai információt hordozó sejtmag és az azt körülvevő sejtplazmában készülnek a sejtet alkotó molekulák. A sejttestről két féle nyúlvány ered. A 4-6 viszonylag vastag (2-3 µm), 300-600 µm távolságra futó, többször elágazó dendritágra érkeznek más idegsejtektől a jelek. Ezzel szemben egy idegsejtről egyetlen axon indul, mely vékony (0.5 µm), igen hosszú (össz-hossza akár 1 méter is lehet) és nagyon gazdagon elágazik. Az axonágakon apró gombócok, axonvégződések ülnek, amelyek ingerületátvivő kapcsolatokat, szinapszisokat alkotnak más idegsejtek denritjeivel. Az axonok ezeken keresztül adják át az információt. Az idegsejteken tehát elkülönül a jel begyűjtésének helye (dendritek) a jel összegzésének (sejttest) és a jel leadásának (axonvégződések) helyétől. Az ingeráramlás iránya szinapszis -> dendrit -> sejttest -> axon ágak -> axonvégződés -> szinapszis.

 

Synapse Site Of Impulse Propagation Between Cells - Nerve Cell - MCAT ...

A jel a hosszú nyúlványokon (axon és dendrit) gyorsan, elektromos áram formájában terjed, de amikor egy szinapszishoz ér, akkor ott az axonvégződés egy kémiai jelátvivő molekulát, transzmittert önt a szinapszis túloldalán található dendritre. A dendritben található érzékelő molekulák ezt a kémiai jelet újra elektromos jellé alakítják. Ennek a látszólag értelmetlen, kicsit lassú és bonyolult elektromos-kémiai-elektromos átkapcsolásnak -mint a biológiában sok mindennek- történelmi (evolúciós) okai vannak, de mint majd a későbbiekben látjuk egy igen kifinomult tanulásra képes idegrendszer megalapozásához elengedhetetlen.

No akkor újra ugyanez, egy kicsit részletesebben. Először is, mi az a szinapszis? Két idegsejt közötti kapcsolat. Egyik felét (pre-szinaptikus, szinapszis előtti oldal) az axonterminális alkotja, amelyben szinaptikus hólyagocskákba, 40 nm átmérőjű gömböcskékbe van becsomagolva az átvivőanyag. A szinapszis másik felét (poszt-szinaptikus, szinapszis utáni oldal) a dendrit egy része alkotja, amelynek szinapszishoz közeli részébe az átvivő anyag érzékelésére alkalmas jelfogó fehérjék (receptorok) találhatók. A szinapszis két fele között található a szinaptikus rés, mely 20nm széles. Amikor az axonon eleketromos jel érkezik, a végződésben található hólyagocskákból kiszabadul az ingerületátvivő anyag a szinaptikus résbe. Ezen igen gyorsan (1 msec) átdiffundál, majd hozzákötődik a túloldalon várakozó receptor molekulákhoz. Ezek közvetlenül vagy közvetve ionokat engednek át a sejthártyán, ezzel elektromos jeleket állítanak elő, melyek végigterjednek a dendriteken. Az ingerületátvivő anyag az axonokat adó sejt (preszinaptikus sejt) típusától függően más és más. Az agykéregben ez leggyakrabban egy glutamát vagy egy GABA nevezetű aminosav lehet. A glutamát egy serkentő transzmitter, mivel olyan áramokat vált ki a célsejtben (posztszinaptikus sejt) amelyek hatására a célsejt aktivitás nő. A GABA a gátlósejtek transzmittere, mivel az általa kiváltott áramok csökkentik a sejtek aktivitását.

 

Nomármost, egy átlag agykérgi idegsejt dendritfájára, melynek teljes hossza milliméterekben mérhető, átlagosan 20.000 szinapszist kap, melyeknek 85% serkentő a maradék gátló. Egy adott pillanatban több száz szinapszis aktiválódik egy sejt dendritfájának felszínén. Az egyes szinapszisokba beömlő áramok meglehetősen bonyolult szabályok alapján összegződnek és eljutnak a sejttesthez. A serkentő áramok és a gátló áramok kivonódnak egymásból, mivel ellenkező előjelűek. Ha a serkentés erősebb, mint a gátlás és a sejttesten kialakuló feszültség elér egy küszöbértéket, akkor a sejt egy gyors és erős elektromos impulzust, az akciós potenciált küld végig az axonján. Ez hatékonyan és gyorsan (2-3 msec) eljut az axonvégződésekig és azokból (akár mind a 20.000) felszabadítja a sejtre jellemző ingerületátvivő anyagot. És kezdődik a dolog elölről… Két egymás után kapcsolt idegsejt között az ingerületátvitel ideje 3-6msec. Azaz 1 másodperc alatt 1000/5 = 200 idegsejten ugrálhat végig a válasz.

 

A folyamat tehát: jel felfogása, jel összegzése, jel leadása. A hidra példáján már láttuk, hogy már egy egytagú idegrendszer is mekkora előny, amikor reagálni kell a környezet kihívásaira. De, mint a sétán majd kibontakozik, a legfontosabb lépés a jel összegzése. Ez teszi majd az idegsejteket képessé arra, hogy tanuljanak, döntsenek, kódoljanak. Azáltal, hogy egy idegsejt 20.000 másiktól kap jeleket a felszínén folyó áramok bonyolult kölcsönhatásokba lépnek és bonyolult számítási műveleteket képesek végrehajtani.
Legyen mára ennyi elég, a következő #agyséta alkalommal elmélyedünk abban hogyan alakul ki az idegsejtek sejthártyáján a feszültségkülönbség, a szinaptikus áram és hogyan történik a jelek összegzése.