Amit az akciós potenciálról mindenkinek érdemes tudnia

- Bármennyire is alapfogalom, az ember könnyen elfelejti, amit tanult, hát még azt, amit sosem tudott. Kezd azzal kérlek, hogyan keletkezik, mi is az akciós potenciál?

- Az akciós potenciál egy elemi idegjelenség, egy olyan elektromos impulzus, amit kulcsfontosságúnak tekintünk az idegi információátadásban. Gyors lefutású, de markáns, nagy amplitúdójú elektromos jelek, amelyek végig haladnak az idegrostokon, lehetővé téve az információ továbbítását egyik idegsejtből a másikba. Egy ilyen idegi akciós potenciált két fő szakaszra bonthatunk fel. Van egy felfutó fázisa, ami alatt a sejtmembrán feszültsége emelkedik, majd a csúcs elérése után, a leszálló fázisban visszatér a membránfeszültség az alapállapotba. 

- Ezt a kisherceg is meg tudná érteni, ha rajzolsz egy hegyes szalmakalapszerűséget. . 

- Ami fontos, hogy ezeket a szakaszokat különböző ioncsatornák időben jól elkülönülő és összehangolt működése irányítja. A felfutást a feszültségfüggő nátriumcsatornák gyors kinyílása okozza, a leszálló fázisban pedig káliumcsatornák húzzák vissza a membránfeszültséget a nyugalmi tartományba. Kiemelendő, hogy az eddigi megfigyelések szerint az idegi kapcsolatok erőssége szorosan összefügg az akciós potenciál alakjával. Konkrétan, minél lassabban cseng le az akciós potenciál, annál erősebbé válik a kapcsolat. Mivel az agy működése nagyrészt ezeknek a kapcsolatoknak az erősségén és dinamikáján alapul, elengedhetetlen, hogy megértsük, milyen tényezők és szabályszerűségek befolyásolják az akciós potenciál alakját.

- Így elmagyarázva bámulatosan egyszerű. Csak fel kellett fedezni.

Mióta ismert az akciós potenciál alakjának-lefutásának változása és az adott szakasz térbeli-morfológiai tulajdonságai közötti összefüggést leíró törvény?

- Már a hetvenes évek óta feltételezik, hogy az idegrostokban kialakuló akciós potenciál alakja és terjedése nagymértékben függ az adott axon lokális méretváltozásaitól. Az idegrostok egyik sajátossága ugyanis, hogy rendkívül változatos alakúak. A rajtuk található idegvégződések és az azokat összekötő szakaszok leginkább egy gyöngyfüzérhez hasonlítható lefutást mutatnak. Az idegsejtek morfológiája és az akciós potenciál lefutása közötti kapcsolatot leíró tudományos eredményeket áttekintve azonban azt láthatjuk, hogy a feltételezéseket leginkább csak elméleti megfontolások, vagy számítógépes szimulációk támasztják alá. Ennek oka egyszerű: az agyban található idegrostok többsége rendkívül vékony, gyakran a milliméter ezredrészénél is kisebb átmérőjű, így eddig gyakorlatilag hozzáférhetetlenek voltak a közvetlen elektromos méréstechnikák számára. Pedig a közvetlen mérés kulcsfontosságú lenne a megfelelő jel/zaj viszony és a szükséges nagy időbeli felbontás biztosítása érdekében.

- Rátok várt tehát annak felfedezése, hogyan lehet mégis csak méréseket is végezni. Miért éppen most sikerült?

- Végül. A tudomány ritkán működik zökkenőmentesen, és miközben a technikai határokat feszegettük, előtérbe került egy újfajta nehézség. Az elektrofiziológiai mérések során a vizsgált sejtet egy apró üvegkapillárison keresztül csatlakoztatjuk a teljes mérőrendszerhez, ami a sejt elektromos aktivitásának torzulását okozhatja. Teljes idegsejtek mérésekor - a megfelelő kompenzációs áramkörök alkalmazásával - ez a torzító hatás általában elhanyagolható. Ha viszont ennyire apró sejtnyúlványokon végezzük a mérést, akkor ez a jeltorzulás hirtelen jelentőssé válik. Ezt felismerve további fejlesztésekbe kezdtünk, hogy kiegészítsük, illetve megerősítsük eredményeinket. Az egyik megközelítés, ami felé elindultunk, egy összetett számítógépes modell kidolgozása volt, amely segített megtisztítani a feszültségjeleket ezektől a torzításoktól. A másik megközelítés az axonális feszültségjelek optikai mérése volt, egy speciális fluoreszcens festék alkalmazásával. Ez a festék beépül a sejthártyába, és a membránfeszültséget a kibocsátott fény intenzitásának változásával jelzi. A festék működése rendkívül gyors, pontosan követni tudja a leggyorsabb feszültségváltozásokat is ezért egy kellően gyors és érzékeny kamera segítségével láthatóvá tudtuk tenni az akciós potenciált az axon mentén. 

- A kirakósnak tehát minden darabja megvolt már, de előttetek senkinek nem jutott eszébe, hogy összerakja. Gratulálok. De mi “kényszeríthette” ki az idegsejtekben, hogy árkon-bokron át igyekezzen fenntartani lefutási tulajdonságait?

- Ez egy remek kérdés! Érdemes talán visszautalni arra, hogy az akciós potenciál az a jel, amely elindítja az idegsejtek közötti kommunikációt, és a lefutása meghatározó az idegi kapcsolatok szempontjából. Egy hasonlattal élve, az akciós potenciál szerepe leginkább úgy képzelhető el, mint egy startpisztolyé egy olimpiai futóversenyen. Amikor eldördül, az adott idegsejt minden kapcsolata egyszerre aktiválódik. Ha az akciós potenciál alakja – a számítógépes szimulációknak megfelelően – az idegrost helyi méretétől függ, akkor az a startjel az axon mentén pontról pontra változhat. Egyes helyeken gyengülhet, máshol pedig erősödhet. Idegen szóval úgy mondanánk, hogy az akciós potenciál nem egy egységes, digitális jel lenne, hanem analóg módon változna az axon méretének megfelelően. A startpisztolyos példával élve, egy olyan futóverseny indulna, ahol az egységes pisztolylövés helyett néhányan alig hallanák dördülést, mások mellett pedig ágyú sülne el. Ez pedig azt jelentené, hogy egy, a kapcsolat szempontjából közömbös tulajdonság – az idegrost helyi átmérője – érdemben befolyásolná az egyes szinaptikus kapcsolatok erősségét! Emellett könnyen elképzelhető, hogy ez funkcionális zavarhoz is vezetne az idegsejtek hálózatában. Megfigyelésünk szerint azonban az idegsejtek képesek fenntartani az axonon végigterjedő elektromos jel digitális jellegét, mégpedig úgy, hogy a lokális átmérő függvényében változtatják a feszültségfüggő ioncsatornák eloszlását. 

- Az igazság, ahogy mindig is teszi, végül győzött az elméletek felett! De! A bevezető részben az akciós potenciál kialakulása-lefutása kapcsán a nátrium és a kálium ionokról volt szó, ebben a szabályozásban pedig csak a kálium ioncsatornák sűrűsége változik. Miért?

- Az axonokban a nátriumcsatornák eloszlása is nagyon pontosan szabályozott, ezek a csatornák azonban főként az akciós potenciál felfutását irányítják, így inkább a jel megbízható továbbításában, mintsem a kommunikáció erősségének szabályozásában van szerepük. A szinaptikus kapcsolatok szempontjából viszont az akciós potenciál időtartama a meghatározóbb tulajdonság, amit meg a káliumcsatornák irányítanak, ezért mi is a káliumcsatornákra összpontosítottunk, azaz a káliumáramokat tanulmányoztuk. Az elektrofiziológiai mérésekkel ugyanis a csatornák működése által létrehozott feszültségváltozásokat, illetve a mögöttes ionáramokat tudjuk rögzíteni.

- Hogyan?

- Egyik módszerünk az volt, hogy apró darabokat választottunk le az idegrost sejthártyájából, és ezeken a mintákon mértük a membránban lévő ioncsatornák áramát. Ez a technika lehetővé tette, hogy nagyon pontosan feltérképezzük az ioncsatornák eloszlását, hiszen pontosan ismertük a leválasztott membrándarab méretét, és azt is, hogy az axon mely részéről származik. A kísérlet megmutatta, hogy a kis átmérőjű axonszakaszokon erősebb káliumáram mérhető, mint a nagy átmérőjű axonvégződéseken, ami arra utal, hogy itt több káliumcsatorna található. Ezután célzott gátlószerek segítségével kiderítettük, hogy a különböző káliumcsatornák közül a Kv1 típusúak vannak nagyobb számban jelen a kis átmérőjű axonszakaszokon. 

- Ezeknek a szinaptikus kapcsolatok erősségét szabályozó csatornáknak klinikai - terápiás céllal tudnánk befolyásolni az eloszlását?

- A csatornák eloszlásának vizsgálata másfajta kísérleteket igényelt volna, ezért ezt most nem kutattuk. Az viszont ismert, hogy a Kv1 csatornák pontos térbeli eloszlását külön jelátviteli mechanizmus szabályozza. Ennek az útvonalnak egyes elemei szerepet játszhatnak például bizonyos örökletes epilepsziás állapotokban, és ha génkiütéssel eltávolítják az útvonal egyes komponenseit, az kísérleti állatokban is súlyos rohamokhoz vezet. Noha a génkiütés valóban módosítja a káliumcsatornák eloszlását a membránban, az útvonal megzavarása ennél jóval összetettebb hatásokat eredményez. A genetikai manipuláció eredményeként többek között a glutamátreceptorok szintje is változik, és egyértelmű fejlődéstani következménye is vannak.

- Felfedezésetek mennyire tekinthető általánosnak?

- A kérdés minket is mélyen foglalkoztatott, ezért másféle idegrostokat is bevontunk a vizsgálatba. Ehhez véletlenszerűen mértük különféle axonok elektromos viselkedését, majd utólag, részletes anatómiai elemzéssel meghatároztuk az axon típusát. A vizsgált rostok között voltak olyanok, amelyek más agykérgi régiókból érkező serkentő sejtek nyúlványai voltak, valamint olyanok is, amelyek egy adott gátlósejt típusból származtak. Emellett megvizsgáltunk egy olyan axontípust is, amely egy kéreg alatti területről érkezett a hippokampuszba. 

A vizsgálataink során azt találtuk, hogy bár az akciós potenciál alakja eltér a különböző rosttípusokban, egy adott rosttípuson belül független volt az axon helyi méretétől. Ez arra utal, hogy felfedezésünk az axonokra általános érvényű.