Jelterjedés és jelösszegződés az idegsejtekben
Ha az idegsejtek csak jeleket továbbítanának, mint egy hálózati kábel, nem sok érdekeset csinálnának, a túlélést nemigen segítenék elő, mint ahogy a hálózati kábelen küldött zokni megrendelés sem válik útközben szerelmesverssé. Az idegsejtek funkciójuk szempontjából legfontosabb tulajdonsága, hogy összegzik a rájuk érkező jeleket és ezáltal egyszerű számítási feladatok elvégzésére képesek.
SZOLGÁLATI KÖZLEMÉNY: Hiányoztak idáig az ábraaláírások. Dolgozunk a problémán. Mostantól, ha az egeret az ábra fölé viszitek akkor egy felugró mezőben megjelenik az ábraszöveg.
Egy átlagos idegsejt kiterjedt denritfájára 10-20 ezer szinapszis érkezik, ezek jelentős része serkentő, kisebb része megfelelően elhelyezett gátló. Ahhoz, hogy a serkentő és gátló áramok összegződését megértsük, először tisztában kell lenni azzal, hogyan terjednek az elektromos jelek az idegsejtek nyúlványain. Amikor a biológusok ezt megpróbálták leírni, hamar rájöttek, hogy a probléma fizikai leírását már egy évszázaddal korábban kidolgozták azok a mérnökök, akik a tenger alatti távírókábeleken terjedő jelek viselkedését próbálták megérteni a XIX század közepén.
Amikor az első hosszabb tenger alatti távírókábeleket lefektették azt tapasztalták, hogy a kábel egyik végén beküldött rövid és erős (nagy amplitúdójú) morzejel a másik végén elnyúlt, gyenge pittyenésként jelent meg, ráadásul az egymás utáni impulzusok elkezdtek összemosódni. Ennek oka, hogy a kábel szigetelése sosem lehet tökéletes. A kábelben vezetett áram két módon is elszivárog a környező tengervízbe (kisebb mértékben a levegőbe, ha ott fut). A két komponens az elektron-áram és a kapacitív áram, melyek a szigetelés ellenállásától és kapacitásától függenek. Hogy melyik micsoda abba dzsungelbe most ne menjünk bele.
Az áramot egy kábel úgy vezeti, mint egy kicsit lukas locsolócső, az elszivárgó áramnak a lukakon kifolyó víz felel meg a kapacitív áramnak pedig a rugalmas cső felfúvódása amikor ráadják a nyomást. Ha egy vízcsapot gyorsan nyitogatunk és zárunk a locsolócső végén (főleg, ha lukas) ugyanúgy lelassult és elgyengült vízlökések jönnek ki, mint egy távírókábelből a jelek. A lényeg az, hogy minél gyengébb a szigetelés (kisebb a drót és a víz közötti ellenállás a drót ellenállásához képest, minél lukasabb a cső) és minél nagyobb a kapacitás (minél rugalmasabb) annál erősebben csökken a jelek amplitudója (mérete) és annál lassabban képes felépülni a jel, azaz annál lassabban terjed (és gyorsabban „kenődik” szét).
Csökkenteni lehet az áram elszivárgás mértékét és ezáltal a jelterjedés hatékonyságát, ha a) csökkentjük a kábel belső ellenállását (vastagítjuk a locsolócsövet), b) növeljük a membrán ellenállását és csökkentjük kapacitását (merevítjük a locsolócsövet és betömjük a lukakat azáltal, hogy körbetekerjük szigetelő szalaggal). A természet a) és/vagy b) megoldást is alkalmazza (lásd a következő bejegyzésben).
Bármik is az értékek, az idegsejtek nyúlványain (dendriteken és axonokon) a terjedő jel gyengül. A jel gyengülését a hossz állandóval jellemzik. Ez az a távolság, ami alatt a jel erőssége a felére csökken (majd újra a felére és újra a felére, azaz a jel csökkenését egy exponenciálisan csökkenő függvény írja le). Egy átlagos idegsejt dendritnél a hossz állandó 30-100 µm között mozog, azaz egy átlagosan 400-600 µm hosszú dendritekkel rendelkező sejt esetében a dendritvégekről már jelentős a jel gyengülése a terjedés során. Ennek megfelelően a legerősebb hatásúak a sejttest közelében végződő bemenetek, mivel nem gyengülnek terjedés közben és így hatékonyan járulnak hozzá a sejttesten kialakuló feszültséghez.
Míg a jelterjedés viszonylag bonyolult, a jelösszegződés nem ennyire (legaláb is alap szinten, fogjuk persze még bonyolítani a későbbiekben). Ahol két áram találkozik (miután a terjedés során gyengült és elnyúlt) összeadódik. Ha ezek az áramok egyenlő előjelűek, pl. két serkentő áram találkozik, akkor erősítik egymást, ha ellenkezőek, mint pl. egy serkentő és egy gátló akkor csökkentik egymás erősségét. A kérdés az, hogy eléri-e a sejttesten a leterjedt és összegzett áramok által kiváltott feszültség az akcióspotenciál beindításához szükséges küszöbértéket (~-55mV). Ha igen akkor elindul az axonon egy akciós potenciál. Ebből az egyszerűségből is fakad persze összetettség. Egy idegsejtre több különböző agyi területről érkezik információ. Az agykéregben azt lehet megfigyelni, hogy az idegsejtek dendritfájára az eltérő területekről érkező információ a sejttesttől jellegzetesen különböző távolságokra érkezik. Ennek hatása, hogy azérkező jelek eltérő súlyozással szólnak bele abba, hogy a sejt mikor kapcsoljon be. Ugye, ha épp a zebrán akarunk átkelni, akkor jobban figyelünk arra, amit épp látunk, mint arra, hogy milyen zene szól fülünkben, hiszen fontosabb épkézláb átérnünk, mint odafigyelni a zenére.