Kvadrillió mikroerősítő az agyban: a szinapszis

A helyzet az, hogy az idegrendszerben sok helyen található elektromos kommunikáció. A szemben, a kisagyban, a minap emlegetett talamuszban és még néhány helyen a sejtek között réskapcsolatok találhatók (angolul: gap junction) amelyeken keresztül közvetlenül folyik az áram a sejtek között.

.

Azonban ezek a hatások igen gyengék, mivel ahogy az egyik sejten keletkezett áram beáramlik a sok sejtbe, erőssége csökken, felhígul. A sejtek ugyanazzal a problémával szembesülnek, mint amivel a drótos és drót nélküli távírás hőskorában a mérnökök szembesültek: a jel erőssége a terjedés során jelentősen csökken és egy idő után beleolvad a zajba. Ahhoz, hogy nagy távolságra tudjunk jeleket továbbítani, időnként jelerősítőket kell beépíteni. Igaz ez az elektromos kábelre, rádióhullámokra, de még az üvegszálban futó optikai jelekre is. A Hőskorban az elektromos jeleket relékkel erősítették. A bejövő gyenge áram bekapcsolt egy elektromágnes vezérelt kapcsolót, mely egy akkumulátorról újra erős áramot küldött a tovább futó kábelbe. A relé szó az angol „relay” szóból származik, melynek jelentése továbbadni. A technika fejlődésével aztán a reléket elektroncsövek majd tranzisztorok váltották fel. Az optikai kábelben pedig furcsa tulajdonságú kristályok működnek erősítőkként.

A szinapszis egy ilyen jelerősítő. Az axon végtalpba érkező gyenge áram felszabadítja az átvivőanyagot, ami a túloldalon kinyit egy ioncsatornát (a relé elektronmágnese) amin nagy mennyiségű ion áramlik keresztül (bekapcsolt kapcsoló a relében) és kialakul egy felerősített jel. Egy emberi agyban 10¹¹ idegsejt van, sejtenként 15.000 szinapszissal, azaz kb 10¹⁵ azaz kvadrillió erősítő! A jelenlegi csúcsprocesszorokban 5x10¹⁰ tranzisztor, azaz 5000x kevesebb erősítő van. Mindemellett az agy csak 30W teljesítményt használ 😊.

A szinapszisnak még más szerepe is van. Nagyon fontos a jelek modulációjában, hangolásában. A későbbiekben finomítani és bonyolítani fogjuk majd az idegsejtek működésének alapelveit. Itt majd látni lehet, hogy az agy eltérő helyzetekben máshogy dolgozza fel az információt, működésmódja modulált, hangolt. A jelfeldolgozás modulációjának egyik helye a szinapszis. A szinapszisnak mindkét oldalán az eddig tárgyaltakon kívül még sok egyéb receptor és csatorna molekula található, melyek befolyásolják az AP hatására milyen erős áram keletkezik a túloldalon.

Hogy megértsük hogyan állítható a szinapszis erősítője, vegyük át részletesebben mi is történik a jelátvitel során.

Ugye az axonon végigfut az akciós potentciál (AP, hogy hogyan a következő bejegyzésben olvashattok). Amikor eléri az axonvégtalpat (bouton, axonterminális) pozitív töltés halmozódik fel a sejthártya belső felszínén és a membránpotenciál a külső térhez képest +10 mV-ra változik. Az axonvégtalp sejthártyájában olyan fehérjék ülnek, melyek Ca²⁺+ ionokat eresztenek a sejtbe, ha a membrán potenciál értéke pozitív lesz. Az AP érkezésekor tehát a feszültség érzékeny kalcium csatornákon keresztül Ca²⁺+ ionok áramlanak a végtalpba. A végtalpba az átvivőanyagok jónéhány tucat 40nm (a nm a milliméter egymilliomod része) átmérőjű hólyagocskába, vezikulába vannak betöltve. A vezikulák felszínén olyan fehérjék találhatók melyek, ha Ca²⁺+ ionokat kötnek a vezikulát hozzákapcsolják az axonvégtalp szinapszis felé néző sejthártyájában található fehérjékhez és az átvivőanyag a szinaptikus résbe ömlik.

A szinapszis túloldalán, a fogadó sejt dendritjén olyan fehérjék találhatók (receptorok) melyek, ha találkoznak a nekik megfelelő ingerületátvivő anyaggal, akkor megváltoztatják alakjukat és, vagy ionokat és ezáltal elektromos áramot engednek át magukon, vagy a sejten belül kapcsolnak be olyan más fehérjéket amelyek ionokat és így áramokat engednek a sejtbe. A serkentő ingerületátvivő anyag, a glutamát receptorai vagy direkt engednek be Na⁺-ot és kisebb mértékben (esetleg egyáltalán nem) Ca²⁺-ot (ezek az AMPA és NMDA típusú receptorok), mellyel pozitívabbá teszik a sejt belsejét vagy indirekt hatásúak, azáltal, hogy másodlagos hírvivőket szabadítanak fel a sejt belsejébe, melyek aztán a sejtek működését befolyásoló fehérjéket kapcsolnak be (metabotróp receptorok). A gátló transzmitter GABA (gamma-amino vajsav) is kétféle receptoron hathat. A GABAa receptor egymaga egy ion csatorna, mely GABA kötésére Cl^- ionokat enged a sejtbe és ezáltal annak hártyáját negatívabbá teszi. A GABAb receptora egy metabotróp receptor, azaz közvetve nem vezet áramot, de másodlagos hírvivő útján K⁺ csatornákat nyit meg, és a koncentráció különbségnek megfelelően a sejtből kiáramló pozitív K⁺ ionok távozása után a sejt belseje szintén negatívabb lesz.

OK. Tehát: akciós potenciál -> Ca²⁺+ beáramlás az axonvégtalba -> a jelátvivő anyagot tartalmazó hólyagok Ca²⁺+-t kötnek és -> a jelátvivő anyag a szinaptikus résbe ömlik -> hozzáköt a megfelelő receptorokhoz -> a sejtbe vagy sejtből közvetlenül vagy közvetve ionok áramlanak -> az áram hatására serkentő esetben a sejt hártyája pozitívabbá, gátlás esetén negatívabbá válik. Ha jól látom itt 6 áttétel 6 -> található. Ez feleslegesen babrásnak tűnik, de ugyanakkor 6 helyen lehet a folyamatot befolyásolni és még így is csak 2-3 msec (msec a másodperc ezred része) kell az egészhez. Egy igazi Rube-Goldberg masina, csak gyorsabban és hasznosabbat csinál.

A szinaptikus jelátvitelt sokféle módon és ponton lehet hangolni. A mechanizmusok egy része preszinaptikus, a szinapszis előtt az axonvégtalpban történik, másik részük posztszinaptikus, azaz a szinapszis után, a dendritben történik. A preszinaptikus oldalon csavarni lehet azon, hogy mennyi Ca²⁺+ áramoljon be az AP hatására, illetve azt, hogy a beáramlott Ca²⁺+ milyen hatékonyan váltsa ki a transzmitter kiürülését. A cannabis hatóanyagai például ezen a ponton befolyásolják az agyműködést, azáltal, hogy  serkentő és gátló axonok jelátviteli hatékonyságát csökkentik. A másik oldalon azon lehet csavargatni, hogy egy receptor mennyi iont engedjen be közvetve vagy közvetlenül, illetve, hogy hány receptor üljön a dendrit membránjában.

Ezen a helyen hat a dopamin, a jutalomhormon, ha jól cselekedtünk akkor felerősíti a szinaptikus áramokat, amiket a jelátvivő anyag felszabadulása kivált. Ha nagy mennyiségben szabadul fel ingerületátvivő anyag az AP hatására, valamint a túloldalon sok receptor ioncsatorna várja, amik alaposan kinyílnak, sok áram fog a sejtbe folyni és erős lesz a jel. Ha csak kevés ingerületátvivő anyag szabadul fel és kevés csatorna nyílhat, akkor a jelerősítés gyenge lesz. Azt már csak megsúgom, hogy a teljes zűrzavar, vagy inkább összetett moduláció érdekében az egyik szinapszisból felszabaduló ingerületátvivő anyag eljuthat egy másik szinapszisba és annak hatását befolyásolhatja. De ezen a mellékúton most nem megyünk tovább.

A szinaptikus jelátvitel modulációjának egyik legfontosabb szerepe a szinapszis erősségének változása tanulás során. Mint majd a későbbiekben bemutatjuk, a memória, tudásunk a sejtek közötti kapcsolatok erősségében, a szinapszisok hatékonyságában, tárolódik. Mindent, amit tanultunk, agyunk 1015 erősítőjének egyedi hangerő gombjának a beállításában tárolódik.

Végezetül egy kis színes kitérő, hogy legyen fogalmunk egy apró szinapszis méreteiről. Mi fér bele? A nyugalmi esetben 50-100nM a sejten belüli Ca²⁺+ koncentráció, aktiválódáskor néhány 10 µMra (százszorosára) megy fel a Ca²⁺+ koncentrációja azáltal, hogy a sejten kívüli tér 1mM os (tízezerszerese mint bent) koncentrációban található Ca²⁺+ ionjai közül jónéhány beáramlik a sejtbe. No de mennyi is ez a jónéhány? Egy nagyobbacska axonterminális térfogata megfelel egy 1x1x1 um-es kocka térfogatának. Ez 10^-15 liternek felel meg. Ekkora térfogatban, ha a koncentráció 10 uMól (10-6 Mól), akkor 10^-15 x 10^-6 = 10^-21 Mólnyi Ca²⁺+ van, ezt kell megszorozni az Avogadro számmal, azaz a kapott érték megfelel 6x10²³ x 10^-21 = 600 Ca²⁺+ ionnak. Ennyi áramlik be tehát az axonvégtalp aktiválódásakor (a kezdeti 100nM os koncentráció elhanyagolható). És hány átvivőanyag molekula fér be egy vezikulába? Egy átlagos hólyagocska átmérője 40nm, ez kb. 10-20 liter. A transzmitter töménységét a hólyagban csak becsülni lehet, mérni nem, olyan Mólos koncentrációjúra teszik. Mindezek alapján az ideg-izom átvitelben használt acetil-kolin esetében azt becsülték 1-2000 molekula szabadulhat fel egy hólyagocskából.

Erre mondanánk, hogy ezt csináljátok utánam! Hát jelentem már a természet után csinálták a mérnökök. Amikor egy SSD memória NAND kapujában egy bit tárolódik akkor néhány tucattól néhány száz atom mozdul el! Igaz a nagy számítógépek és tárolórendszerek energiafelhasználásban még nagyon távol állunk az agyétól.

Az agysétát az órarugó gerincű ugráló akciós potenciálról szóló mesével folytatjuk majd.