Az agyfejlődés programja I.: idegsejtfejlődés, kapcsolatépítés
Az agyfejlődés bizonyos elemeiről már beszéltünk korábban. Az agyfejlőd kettő, eltérő program alapján futó fázisra osztható:
1) az idegrendszer felépülése, az agy anatómiai fejlődése a genetikai program alapján, mely felhasználja a test többi részéből érkező kémiai és szomszédsági információkat. Ez elsősorban az embrióban és a magzatban zajlik, de emberben kamaszkorig eltart.
2) a szinaptikus kapcsolatok érése, a tanulás, mely a fejlődő idegrendszer által létrehozott jelek és a külvilágból érkező információ alapján, a Hebb szabályt felhasználva alakítja ki a szinapszisok erősségét, és tünteti el a felesleges kapcsolatokat. Ezek a folyamatok születés után indulnak be igazán és életünk végéig tartanak. A legnagyobb átalakulás kisgyermek és kamaszkorban történik.
Anatómiai fejlődés: Az embrió fejlődésének egyik korai és meghatározó lépése a velőcső lefűződése, ebből alakul az idegrendszer és ez szervezi a test kialakulását is. A kialakult cső feji részén aztán megjelennek az agy tájait kialakító agyhólyagok, melyeknek falában az osztódó sejtek létrehozzák a gliasejteket, majd a neuronokat, melyeknek vándorlását az előbbiek irányítják.
Azt, hogy ez egy program, nem pedig tervrajz szerint történik, az embriológusok ravasz kísérletekkel fedezték fel. Ha a korai velőcső részeit kivágjuk, megcseréljük, esetleg egy másik állatkából vett darab segítségével megkettőzzük, akkor is kifejlődik az idegrendszer, de furcsa szörnyecskéket kapunk. Ezek egy része életképes lehet, csak több lába nő például.
Nem ismételném a sejtek kialakulásának és fejlődésének lépéseit, ezek ugye az egyes agyterületeket alakítják ki. Itt a többi folyamatról, elsősorban az agyterületek közötti kapcsolatok kialakulásáról beszélnék.
A neurogenezis (az idegsejtek kialakulása) és a migráció (amikor az idegsejtek arra a helyre vándorolnak, ahol majd kapcsolatrendszereiket kialakítják) a terhesség hatodik hónapjáig lezajlik. Kialakulnak a jellemző agyterületek és bennük az idegsejtek.
De ekkor még nemigen van az idegsejteknek nyúlványrendszere, azaz az agyterületek nincsenek összekötve egymással. Ez a harmadik, talán a legbonyolultabb mechanizmusú fejlődési fázis, hiszen, ha mondjuk van N agyterületünk az a kombinatorika alapján N alatt a 2 módon kapcsolódhat össze. Ez 10 terület esetében 45 lehetséges kapcsolatfajta, 100 terület esetében 4950. Hasraütve, azt mondanám agyunkban számolhatunk 2-3000 összekötendő területtel, ez kitesz 4.5 millió lehetséges kapcsolatot. Azt, hogy egy idegsejt megtalálja a neki kijelölt célterületen a megfelelő sejtet és dendritjén szinapszisokat alkosson, számtalan sejt és terület specifikusan kifejeződő molekula segíti. A növekvő axonok végén egy növekedési kúp található, mely amőbaként kúszik előre és az amőba őstől örökölt, csak jelentősen továbbfejlesztett molekuláris mechanizmusokat használja ahhoz, hogy kitapogassa a fejlődő agy nyúlványerdőjében merre kanyarodjon.
Az útválasztásban 4 féle molekuláris kölcsönhatás segíti. Az egyes kölcsönhatásokban népes fehérjecsaládok vesznek részt. Az emberi genom elemzése során kiderült, hogy ezeknek, az agyi sejtkapcsolódásokat szabályozó molekuláknak a fajtái és száma nőtt meg jelentősen mondjuk az egérhez képest.
Vannak olyan molekulák melyek bizonyos agyterületeken szabadulnak fel, diffundálnak a környezetbe, és taszítják (chemorepulson, piros) vagy vonzzák (chemoattraction, zöld) a növekvő axonokat. Más molekulák az idegrendszer sejtjeinek (gliasejtek, neuronok) felszínén kötve maradnak, vagy a sejt közötti állományba választódnak ki és szintén vonzhatják (+, contact attraction) vagy taszíthatják (-, contact repulsion) a nyúlványokat. A fenti molekulák mellett az axonok növekedésének irányításában még bizonyos gliasejtek is segítenek, csatornákat bélelnek körül, amiben az axonok előre tapogathatnak. És persze vannak olyan molekuláris jelek, amiket a célterületen található idegsejtek fejeznek ki, ráadásul nyúlványrendszerük megfelelő részein, mivel nem mindegy, hogy az érkező axonok pontosan hova építik ki a szinapszisokat. Hogy ne kelljen minden idegsejtnek a sötétben tapogatódznia, ezért az evolúció kifejlesztette az úttörő idegsejteket. Először az egyik területről ezek találnak el a másikra, amikor odaértek jelzik a többieknek, hogy most már csak engem kell követni, gyertek. Ezek az idegsejtek aztán gyakran el is pusztulnak és a felnőtt agyban már nincsenek jelen. Ugyanis ők a célterületen már nem feltétlenül végződnek a megfelelő célelemeken, csak odavezetik a később érő sejteket.
Valahogy úgy kell elképzelni az axonok növekedését, mintha különböző módon burkolt utakon (contact jelek), csak különböző járművek haladhatnának, távoli az égre vetített jelek (távoli jelek) alapján. A Pécsre tartó biciklista más útvonalon halad, mint aki autóval vagy vonaton utazik. Pontos haladásukat még útszéli oszlopok és útjelzőtáblák is segítik, mint a gliasejtek a fejlődő idegrendszerben.
A célterületek megtalálásának programjában van még egy fontos elem, az idő. Az agy gyakran alkalmazza azt a trükköt, hogy ha az axonok eltaláltak egy területre ott hozzákapcsolódnak a célsejtekhez és a később beérkező axonoknak már nincs hely, ilyenkor tovább mennek, és ahol találnak szabad kötődési helyeket ott csinálnak kapcsolatokat. Ez például az agykéreg zsinórózásánál fontos. Az először kialakuló sejteken végződnek a legkorábban megérkező axonok, melyek a korábban kialakult, evolúciósan ősibb területekről érkeznek. A később kialakuló sejtek, később kialakuló, az evolúció során később megjelenő területekről kapnak bemeneteket.
Például, az egészséges fejlődés során, a megfelelő kémiai és anatómiai jeleket követő, axonok a látó thalamuszból elkezdenek benőni az agykéreg látó részére. Amikor megtalálják a látókérget, ott kapcsolatokat kezdenek alkotni. Ha valamilyen fejlődési rendelleneség miatt vagy egy kísérleti beavatkozás hatására nem alakul ki a szem, akkor a szemből nem érkeznek rostok a látókéregbe, annak sejtjei viszont készek szinapszisok fogadására. Ilyen állatokban azt figyelték meg, hogy az agykéregbe a halló talamusz felől benövő axonok, mielőtt elérnék a hallókérget, a látókéregben is kapcsolatokat alakítanak ki és megindítják annak érését. Ezáltal a látókéreg kapacitása is részt vehet a hallásfeldolgozásban. Ez megmagyarázhatja bizonyos vak emberek kifinomult hallását. Illetve bemutatja, hogy a program szerinti építkezés jobb, mint a tervrajz szerinti építkezés.
Egy kicsit finomítva mi is történik? Amikor egy agyi területen kialakulnak az idegsejtek, akkor a területnek megfelelő géneket kapcsolnak be. Egyrészt elkezdenek termelni olyan molekulákat, amelyek felszabadulnak és vonzanak vagy taszítanak bizonyos axonokat (távoli jelek), másrészt a felszínüket feldíszítik olyan molekulákkal, melyek vonzhatnak vagy taszíthatnak (közeli jelek) máshonnan érkező axonokat. Ezzel egyidőben olyan receptor molekulákat kezdenek beépíteni axonjaik növekedési kúpjába, amelyek segítségével azok megtalálják merre kell menniük, és a célterületen milyen sejteken kell végződniük. Olyan ez, mint amikor az ételfutárok megkapják, hogy melyik étteremből, hova kell elszállítani a kaját. Mindenkinek van egy célja (receptor molekula követi) amit meg kell találnia. Mint az alanti ábra mutatja nem kell minden területnek egyedi molekulákat kifejeznie. A gyakorlati megoldás az, hogy a különböző agyi területek eltérő célzómolekula kombinációkat fejeznek ki és az axonok megtalálják az ízlésüknek megfelelő célmolekula kombinációt kifejező területeket.
Folyt köv.
Szerző: Gulyás Attila