# Kvadrillió mikroerősítő az agyban: a szinapszis

rovat: #agyséta

Az idegsejtek közötti jelátadási procedúra az eddigiek alapján feleslegesen bonyolultnak tűnhet. Joggal kérdezhetné meg az Olvasó, hogy minek ez az egész elektromos jelből kémiai, majd vissza jelátadás? Miért is nem elektromosan kommunikálnak az idegsejtek?

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 axonvégtalpba érkező gyenge áram felszabadítja az átvivő anyagot, 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, hogy 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 potenciál (AP, hogy hogyan a következő bejegyzésben olvashattok róla). 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 végtalpban az átvivő anyagok 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 átvivő anyag 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 belsejében, 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 µM-ra (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 átvivő anyag 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.

Merre húzzák K+ovácsék a kötelet:? A szinaptikus áramok és az akciós potenciálok kialakulása Jelterjedés és jelösszegződés az idegsejtekben