Idegsejt upgrade

Az idegsejtek jelintegrációjának egyszerűsített modelljét évtizedek óta kidolgozták és ennek alapján az információ tárolás (tanulás, memória) egyszerű mechanizmusait is érteni véljük (lesz róla szó a SzürkeÁllományban). A modellt a mesterséges neuronhálózatokban évtizedek óta használják igen sikeresen.

Mára ez a kép elavult. Az új eredmények szerint az idegsejtek jóval komolyabb információfeldolgozásra képesek, mint amit az egyszerű összegzés-és-aktiválódás modell nyújt. A különbség körülbelül akkor léptékű, mint amekkora egy 80as években asztali gépekben csúcstehnológiának számító 80286-os processzor és egy mai mobiltelefonokban található Snapdragon processzor képességei között van. A processzorok nem csak gyorsabbak lettek, hanem sokkal több dolgot képesek elvégezni. Míg a 80286os csak egész számokkal tudott dolgozni és logikai műveleteket végezni, addig a modern processzorokban integrálva tálható FPU, GPU, PPU, multimédia, GPS és kommunikáció támogatás és jelentősen nagyobb memóriaterületet képesek használni.

Az egyszerű idegsejt modellen passzívan terjedtek az áramok és a jelintegráció is igen egyszerű volt. A mai modell szerint az idegsejtek felszínén rengeteg olyan ioncsatorna és ingerületfelvevő molekula található, amelyek a viselkedéssel összefüggő, eltérő agyi állapotok követelményeinek megfelelően képesek a sejtek jelfeldolgozását áthangolni. Mint ahogy mobiltelefonunk processzora máshogy működik zenehallgatás, videó nézés vagy energiatakarékos állapotban, máshogy kell működnie egy idegsejtnek ingerfeldolgozás, tanulás, előhívás, illetve az alvás eltérő fázisaiban. A jelfeldolgozás bonyolultsága is jelentősen megnőtt, egy mai idegsejt többlépcsős jelösszegzését 10-20 egyszerű modell idegsejttel lehetne közelíteni. A jelfeldolgozás a sejtek nyúlványaiban egyidőben, megosztottan történik, mint ahogy egy videojáték során gépünk processzora kiosztja a GPUnak a feladatokat vagy több core-t használ.

Makara Judit és kutatócsoportja mostanában megjelent közleményében azt írja le, hogy a sejtek felszínén elhelyezkedő, és a jelterjedésben fontos szerepet játszó kálcium ionokat (Ca²⁺) átengedő csatornák viselkedése miatt a sejtek nyúlványrendszerén két jelentősen eltérő módon terjedhetnek végig a csatornák által létrehozott feszültség- és kalcium jelek. Az egyik mód egy viszonylag lassú lefutású, a teljes nyúlványrendszeren szétterjedő jel, ami jellemzően erős kisüléssorozatot (erős sejt aktiválódást) vált ki a sejt integrációs középpontjában (a sejttesten) és az axonokban (a kimenő nyúlványok, amikkel a sejtek más sejtek működését befolyásolják). A másik mód pedig egy nagyon gyors, a bemenetet fogadó nyúlványrendszer (dendritek) aktivált területére lokalizálódó jel, ami csak egyetlen (gyenge) kimenő kisülést okoz. Érdekes módon a vizsgált nyúlványok és sejtek között nagy változatosság mutatkozott abban, hogy egyik, másik, vagy mindkét jelfajtát képesek kiváltani.

A most kimutatott gyors Ca²⁺ kisülésekhez hasonló működésmódot nemrég egyes emberi nagyagykérgi idegsejtekben is leírták, de a jelen munka bebizonyította, hogy ez már az evolúciós fejlődés során korábban és ősibb kéregterületeken is megjelent.

Feltételezhető, hogy a most kimutatott, kétféle Ca²⁺ válasz attól függően aktiválódik, hogy hova és milyen bemenet érkezik a nyúlványokra, és az is elképzelhető, hogy a sejt és a sejtek által alkotott hálózat így hatékonyabban, eltérő üzemmódokban működhet: információraktározó-tanuló módban vagy előhívó módban. Az itt bemutatott többféle jelösszegző - jelgeneráló üzemmód feltételezésünk szerint ahhoz járulhat hozzá, hogy a sejtek hatékonyabban tudjanak akár információt raktározni, akár információt előhívni.