Mitől olyan gyors az agyunk?
Jakabffy Éva
A Martin Heine és Daniel Choquet vezette bordeaux-i kutatócsoport munkája szerint agyunk jóval gyorsabban vág, mint amit receptoraink teljesítőképessége alapján elvárhatnánk tőle. A receptorokat ugyanis "depresszió" sújtja, ami lassítja válaszkészségüket, és ezáltal az idegi kommunikációt is.
A hatékony kommunikáció alapja az idegrendszerben hasonló, mint az emberek között: ez pedig a jelek gyors és megbízható szállítása. Az idegrendszerben kémiai jelek közvetítik az információt. Ha ez a közvetítés az átlagosnál gyorsabb, észjárásunk is az, ilyenkor mondják az emberre, hogy "olyan éles az elméje, mint a damaszkuszi penge". Az idegi kommunikáció, sajnos, akadozhat is, elsősorban az idegsejtek pusztulásával járó egyes betegségeknél - főként az Alzheimer- és a Parkinson-kórnál -, vagy olyan, idegi működésbeli zavaroknál, mint a kényszerbetegség és a depresszió. Ezek biológiai háttere ugyan más és más, de az idegi kommunikáció helyreállítása mindegyikben sokat segíthetne. Érdemes tehát minél mélyebbre ásni, és molekuláris szinten feltárni, mi is zajlik akkor, amikor az egyik idegsejt egy másik felé jeleket bocsát ki. Min múlik vajon, hogy a második idegsejt hajlandó-e fogadni a jelet, majd továbbítani azt?
Őrségváltás a receptoroknál
Az emberi agyban 100 milliárd
idegsejt kommunikál egymással. A jeltovábbításban elsősorban az idegsejtek
közti mérhetetlenül kis - 10-40 nanométeres (egy nanométer a milliméter
milliomod része) - rések, a szinaptikus rések vesznek részt (a szinapszisokhoz
tartoznak a szinaptikus rés mellett a küldő és fogadó idegsejt hártyájának
megfelelő részei is). A szinapszisok száma egy idegsejt esetében akár több
ezer is lehet, az egész agyban pedig még elképzelhetetlenebbül sok: 100 000
milliárd.
Idegsejt fluoreszcens képe. A kék szín a szinapszis előtti területet jelöli, a vörös a szinapszis utánit, a zöld pedig a glutamátreceptorokat. A fehér szín a receptorok sűrűsödését mutatja a dendrittüskék végénél. A CNRS fotótár, Magali Mondin és Daniel Choquet felvétele
Az idegsejtek akkor adnak le jeleket, ha szinapszisaik közelébe érkezik a nyúlványon végigfutó akciós potenciál, amikor a sejtek elektromos állapota megváltozik. Az elektromos jel hatására az idegsejt nyúlványának végződésén lévő hólyagocskákból molekulák szabadulnak fel, ezek az idegrendszer hírvivői. Találunk köztük serkentőket is, gátlókat is. A serkentők a fogadó idegsejtet arra próbálják rávenni, hogy abban szintén ingerület keletkezzék, a gátlók viszont ugyanezt meg akarják akadályozni. A fogadó idegsejt hártyáján találhatók a receptorok, amelyek vagy "veszik" a jelet, vagy nem. Ez főként attól függ, hogy van-e affinitásuk az adott kémiai hírvivőre. De ez sem elég. Ha telítődnek az adott hírvivővel, például, mert abból túl sok érkezik túl gyors egymásutánban, akkor átmenetileg érzéketlenné válnak rá. Ennek többnyire vagy az az oka, hogy a bekötődő molekula ilyen gyorsan nem tud leválni, vagy nem tudja a sejt hatástalanítani, esetleg az is lehet, hogy a jelátvitelkor bekövetkező térszerkezet-változás lassabban alakul vissza. E jelenség a szinaptikus depresszió rövid távú fajtája, amely már 10 hertzet meghaladó ingerlési frekvenciánál is kialakul, magasabb frekvenciák esetében pedig annál inkább. Receptoraink tehát elég lassú jeltovábbítást tesznek - tennének - lehetővé. Ennyivel talán még arra sem lennénk képesek, hogy emlékeket őrizzünk meg a fejünkben: a memorizálási, tanulási folyamatok ugyanis általában 50-100 hertzes információátadás mellett zajlanak. Ez jóval gyorsabb, mint ahogy a receptorok fogadókészsége helyreáll. Mi magyarázza ezt az ellentmondást? A kutatók szerint az, hogy a receptorok igen gyorsan őrséget váltanak, az "alvó", érzéketlenné vált őröket gyorsan lecserélik a frissebbek.
Fluoreszkáló receptorok
útjai
Azt, hogy a receptorok mozognak,
már egy ideje tudott dolog, de igazolni már nem volt könnyű. Ehhez olyan
dinamikus képalkotó eljárásra volt szükség, amellyel ezen igen apró molekulák
nyomon követhetővé váltak. A receptorok mozgása önmagában nem észlelhető,
azokat meg kell jelölni. A kutatók először "nagy" latexgolyókkal próbálkoztak
- sikertelenül. Később a szintén Bordeaux-ban működő Centre de Physique
Moléculaire Optique et Hertzienne (CPMOH) fizikusai bocsátottak a rendelkezésükre
sikerre vezető molekulakövető technológiát.
A receptorok mozgékonysága a szinapszisban lehetővé teszi a szinapszis utáni idegsejt válaszának folyamatos felfrissítését (a). Amikor a receptorok mozdulatlanok, a szinaptikus válaszok gyorsan kifáradnak (b)
Ennek lényege az, hogy az adott hírvivő receptorait zölden fluoreszkáló nanokristályokkal, úgynevezett "kvantumpontokkal" szerelik fel, ami Laurent Cognet fizikus szerint olyan, "mintha lufikat erősítenének rájuk". Így nanométeres pontossággal meghatározható a receptorok elhelyezkedése.
A kutatók rágcsálók hippokampuszaiban, valamint sejtkultúrákban figyelték meg a glutamát nevű, igen gyakori serkentő hírvivő egyik fajta receptorát, az AMPA-receptort. Ez tipikusan a gyors serkentő szinapszisokban található meg. Az AMPA-receptorok a fogadó idegsejthártyán az úgynevezett szinapszis utáni megvastagodásban csoportosulnak: ez a hely épp szemközt található a küldő idegrost végén levő hólyagocskákkal, amelyekből a glutamát felszabadul. Amikor a glutamát kötődik az AMPA-receptorokhoz, a kémiai jel elektromos jellé változik. Ha a jel összegződik a más idegsejtektől kapott jelekkel, akkor ez a sejtből akciós potenciálok tüzelését - ezáltal idegi hírvivők felszabadulását, végül is az információ továbbadását - válthatja ki.
Heinéék, hogy pontosan lássák, mi történik az AMPA-receptorokkal, egyetlen idegsejtkultúra egyetlen szinapszisára "zoomoltak" rá. Amit itt láttak, az végleg megdöntötte a "mozdulatlan receptorok" elképzelést: az AMPA-receptorok a sejthártyán folyamatosan gyors, véletlenszerű mozgásokat végeztek. Ennek mértéke akkora, hogy egyetlen receptor mind a szinaptikus, mind a szinapszison kívüli sejthártyákon másodpercenként mikrométereket utazhat, így néhány milliszekundum alatt a szinapszis egyik végétől a másikig is képes eljutni. Az érzéketlenné vált szinaptikus receptorok századmásodpercek alatt helyet tudnak cserélni szinapszison kívüli, "naiv" receptorokkal - így a posztszinaptikus megvastagodás glutamátra való érzékenysége gyorsan felfrissül a szinaptikuson kívüli receptorok őt körülvevő tengeréből. Ily módon a szinaptikus depresszió kijátszható, a gyorsan érkező ingerek pedig fogadhatók és továbbíthatók.
Megbénított kommunikáció
Ha a receptorok mozgása
tényleg kulcsfontosságú a gyors információátvitelhez, akkor ha mozdulatlanná
tesszük őket, az lényegesen le kell hogy lassítsa a továbbítást. A kutatók
ezt úgy bizonyították, hogy gyors ingersorozatokkal "megbénították" az
AMPA-receptorokat. Ekkor a szinaptikus depresszióból való felépülés lelassult.
A bénított receptorok - aluláteresztő szűrőkként - nem engedték át a 10
hertz feletti frekvenciával érkező jeleket.
Szinapszis. Az ábra az idegi hírvivők felszabadulását mutatja a szinapszis előtti idegsejt nyúlványának hólyagocskáiból, és a receptorok vándorlását a szinapszis utáni idegsejten
Ami a kutatókat leginkább érdekelte, az a szinaptikus depresszió utáni helyreállás folyamata. A korábbi elképzelések szerint ilyenkor egyszerűen az történik, hogy újraindul a hírvivők felszabadulása, a receptorok pedig ismét érzékennyé válnak. Ám ezek sokkal lassabb helyreállást tennének lehetővé, mint amilyen a valóságban történik. A receptorok mozgása olyan alapvető tényező a szinaptikus depresszió utáni helyreállásban, amely az ingerületátvitel frekvenciájának felső határát 200 hertzre tolja ki, így téve lehetővé a megfelelő tanulási és emlékezési folyamatokat.
A felfedezés komoly gyakorlati haszonnal kecsegtet a nem elégséges idegi kommunikációval járó agyi betegségek okainak megértésében és kezelésében. Eközben az emlékezet folyamatainak átlátásához is közelebb kerülünk, hiszen ezek éppen az idegsejtek közti kommunikáció hatékonyságától függnek.
| Természet Világa, | 139. évfolyam, 11. szám,
2008. november
https://www.termvil.hu/ https://www.chemonet.hu/TermVil/ |