3. Az idegsejtek kapcsolatai

Tartalomjegyzék 3.1. Az idegsejtek kapcsolódásai A szinapszis fogalma A kémiai szinapszis Az elektromos szinapszis A kémiai és az elektromos szinapszisok összehasonlítása 3.2. Az idegsejtek hálózatai 3.3. A reflexív elve Információfeldolgozás az idegrendszerben (alapfogalmak és alapelvek) A reflexív (reflexkör) alapelemei 3.4. Az idegtudomány kapcsolata az informatikával 3.5. Analóg és digitális jelek az idegrendszerben

3.1. Az idegsejtek kapcsolódásai a) A szinapszis fogalma A neuronok az idegrendszer legfontosabb önálló működési egységei. Önmagukban képesek információk felvételére, összesítésére, feldolgozására, és megfelelő válaszok létrehozására. Az idegrendszer hatalmas mennyiségű idegsejtet tartalmaz (az emberi agy pl. nagyságrendileg 100 milliárd neuront). Az idegsejtek, elsősorban nyúlványaikon keresztül, egymással bonyolult, nagy kiterjedésű kapcsolatrendszert tartanak fenn. Ezek a kapcsolatok változásra képesek, újak jönnek létre, egyesek megerősödhetnek, vagy gyengülhetnek, sőt megszűnhetnek. Az idegrendszer információtároló és feldolgozó, valamint vezérlő működése az idegsejtek dinamikusan változó kapcsolatai nélkül elképzelhetetlen. Az idegsejtek egymással (vagy más típusú sejtekkel – pl. izomsejt, szekréciós sejt) kialakított működésbeli kapcsolatát szinapszisnak nevezzük. A szinapszisok anatómiailag jól körülhatárolható, speciális felépítésű területek. Két fő típusuk a kémiai és az elektromos szinapszis. A szinapszisokban külön névvel illetjük az információt átadó neuront (preszinaptikus neuron), valamint az információt felvevő sejtet (posztszinaptikus neuron).

3.1. Az idegsejtek kapcsolódásai b) A kémiai szinapszis A kémiai szinapszisokban a jelátvitel meghatározott kémiai anyagok, ún. neurotranszmitterek segítségével történik. A szinapszisokat osztályozhatjuk aszerint, hogy milyen neurotranszmitterrel működnek. A kémiai szinapszis legfontosabb elemei: Szintaptikus vezikulák: Neurotranszmittert tartalmazó membránhólyagok. Preszinaptikus neuron membránja: általában az axon csupasz (velőhüvely nélküli) végbunkója . Szinaptikus véglemeznek is nevezik. Posztszinaptikus sejt membránja: általában egy másik neuron dendritje, sejttestje, axonja. Receptorok: Adott neurotranszmietterre érzékeny fehérjék. A két membránfelszínt a résbe benyúló „ragasztó”, vagy adhéziós fehérjék tartják egyben. Szinaptikus rés: kb. 20-30 nm.

3.1. Az idegsejtek kapcsolódásai b) A kémiai szinapszis A kémiai szinapszis működése:  Az axonon végigfutó akciós potenciál hatására, feszültségfüggő kalcium csatornák működésén keresztül, megnövekszik a citoplazmatikus Ca2+ koncentráció.  A megnövekedett Ca2+ koncentráció eredményeként a szinaptikus vezikulák neurotranszmitter tartalmukat exocitózissal a szinaptikus résbe ürítik.  A neurotranszmitterek diffúzióval átjutnak a szinaptikus résen, majd kötődnek saját posztszinaptikus receptoraikhoz.  A receptorfehérjék, különböző mechanizmusokat használva, ioncsatornák nyitásának „parancsát” közvetítik (vagy maguk is csatornafehérjék, vagy a közelükben lévő csatornára hatnak, esetleg hosszabb másodlagos jelátviteli utakat nyitnak meg). Attól függően, hogy milyen ionok szállítódnak, a posztszinaptikus sejten EPSP, vagy IPSP keletkezik. A folyamat végén a neurotranszmitterek eltűnnek a szinaptikus résből (elbomlanak, a gliasejtek felveszik…). ① ② ③ ④

3.1. Az idegsejtek kapcsolódásai c) Az elektromos szinapszis Az elektromos szinapszisok szerkezeti alapja az idegsejtek közötti ún. réskapcsolat (gap junction). Ezeken a területeken a membránok közel, kb. 3,5 nm-re helyezkednek el egymástól. A neuronok között a réskapcsolatokban olyan fehérjecsatornák jelennek meg, amelyek mind a két sejt membránját átérik, ezért rajtuk keresztül gyors (akár kétirányú) anyagmozgás indulhat meg. Az elektromos szinapszisok kb. tízszer gyorsabban működnek a kémiai szinapszisoknál, rajtuk keresztül több idegsejt tud szinte egyszerre ingerületbe kerülni. Preszinaptikus neuron Posztszinaptikus neuron Preszinaptikus membrán Posztszinaptikus membrán Konnexin fehérje Csatorna A csatornák mindkét membránt átérő pórust alkotnak

Elektromos szinapszis 3.1. Az idegsejtek kapcsolódásai d) A kémiai és az elektromos szinapszisok összehasonlítása Szempontok Kémiai szinapszis Elektromos szinapszis A pre- és posztszinaptikus membránok távolsága 20-50 nm 2-4 nm Citoplazmatikus folytonosság a sejtek között Nincs Van A jelátvitel formája Kémiai neurotranszmitterek Ionáramok Szinaptikus késés (amíg a jel átjut a másik sejtbe) Minimum 0,3 ms; átlag 1-5 ms Gyakorlatilag nincs (0,2 ms) Finomszerkezeti építőegységek Szonaptikus vezikulák, posztszinaptikus receptorok Konnexinből felépülő csatornák A jelátvitel iránya Alapvetően egyirányú Többnyire kétirányú

A szinaptikus hatások összegződése (a szinaptikus integráció) 3.2. Az idegsejtek hálózatai Egyetlen idegsejt számos neuronnal képez kapcsolatot. A sejt maga szinapszisokat fogad és szinapszisokat ad. Eközben az érkező információkat feldolgozza, a rajta keletkező akciós potenciálok segítségével pedig számos más sejtre gyakorol hatást. Az idegrendszer működése az egyes neuronok működésén túl, így az idegsejtek hálózatában történő információáramláson alapszik. A szinaptikus hatások összegződése (a szinaptikus integráció)

3.2. Az idegsejtek hálózatai A modern idegtudomány fontos kutatási területe az idegrendszeri hálózatok vizsgálata. Kísérletekben vizsgálják a neuronok egymásra gyakorolt hatását akár egyetlen sejtpártól kezdve az egészen bonyolult hálózatokig. A kutatások eredményei alapján megismerhetők az idegrendszer működésének alapelvei, egyes megbetegedések okai, felfedezhetők új gyógyszertámadási helyek, de akár hálózatelméleti megállapí-tásokat is megfogalmazhatunk. Az neurális hálózatok bonyolultságát jól érzékelteti, ha emlékezetbe idézzük, hogy maguk a résztvevő neuronok is többfélék lehetnek (serkentők, gátlók, különböző neurotranszmittereket használó idegsejtek…). Felül: Egy serkentő és egy gátló idegsejt egymásra gyakorolt hatása kölcsönös kapcsolat esetén, egymás után ingerelve őket. Alul: Neuronok gazdag hálózatai.

3.3. A reflexív elve a) Információfeldolgozás az idegrendszerben (alapfogalmak és alapelvek) Inger: Azokat a külső, vagy belső környezeti változásokat, amelyek az ingerlékeny szövetekben ingerületi állapotot váltanak ki, ingernek nevezzük. Ezek lehetnek pl. mechanikai, kémiai, hő-, fény- és akusztikus ingerek. Ingerület: Megfelelő inger hatására az ingerlékeny sejtben kialakuló anyagcsere változás. Adekvát inger: az az ingerforma, amelynek felvételére az adott receptor-(sejt) (szerkezeténél fogva) különösen alkalmas.   Receptor-(sejt): adott inger felvételére és ingerületté alakítására specializálódott egység. Feladata a mechanikai, kémiai, hő-, fény-, akusztikus, vagy egyéb típusú inger, továbbadható, az idegrendszer számára feldolgozható, elsősorban bioelektromos tulajdonságokkal rendelkező ingerületté alakítása. Reflex: A külső, vagy belső környezetből érkező ingerekre adott válaszreakció. Lehet nagyon egyszerű, szinte automatikus (pl. gerincvelői reflex), tágabban értelmezve azonban a bonyolultabb idegrendszeri jelenségek is felfoghatók reflexként, vagy akár egyszerűbb reflexek kombinációjaként. Az idegrendszer elsődleges feladata a szervezetet érő ingerek felvétele, értelmezése, feldolgozása, a megfelelő válaszok megfogalmazása és végrehajtása. Ez a folyamatsor megfelelő anatómiai struktúrákhoz köthető. Az idegrendszer tanulmányozásának alapelve, hogy az információfeldolgozás minden egyes alapeseménye hozzáköthető az idegrendszer valamelyik eleméhez, azaz az információ útja végigkövethető. A receptoroktól a végrehajtó szervekig vezető neuronsort reflexívnek nevezzük.

3.3. A reflexív elve Központ Végrehajtó szerv, célszerv Receptor b) A reflexív (reflexkör) alapelemei Az egyes elemeknek többféle elnevezése is ismert. Az alábbi ábrában ezeket külön-külön feltűntettük. Központ Akár több elemből is állhat, amelyeket pályák kötnek össze Érző működés Szenzoros működés Mozgató működés Motoros működés Végrehajtó működés Bevezető szár Afferens pályák Érző neuronok Kivezető szár Efferens pályák Mozgató neuronok Végső közös pálya A receptor érzékenységének beállítása A célszerv visszajelzése a központnak Receptor Végrehajtó szerv, célszerv Izom Mirigy Vegetatív szerv

3.4. Az idegtudomány kapcsolata az informatikával Az utóbbi évtizedek kutatásai és felfedezései az élettudományok és az informatika közeledését és együttműködését eredményezték. Az informatikai rendszerek használta, és alkalmazása a biológiai, orvosi kutatásokban magával hozta a bioinformatika tudományágának megjelenését. (Pl. biológiai adatbázisok kezelése.) Különösen az idegrendszeri kutatások azonban, további fejlődési lehetőséget hoztak magukkal. Ma külön kutatócsoportok foglalkoznak az informatika és az idegtudomány határterületeinek kutatásával. A kutatások legfőbb irányai: Megismerve az idegrendszer bonyolult működését (pl. a neurális hálóztok sajátosságait), mi az ami az ott szerzett ismeretekből, a felismert alapelvekből, leírt folyamatokból felhasználható a modern informatikai rendszerek (elsősorban szoftverek) tervezésénél, elkészítésénél? Az informatika tudományát felhasználva, miként lehet létrehozni olyan szerkezeteket, amelyek pl. egyes betegségek esetén, a testbe építve, javítják a beteg életminőségét (pl. látást segítő implantátumok, amputált végtagokat helyettesítő, a beteg akaratával működtethető „robotok”…)? Találhatók-e olyan biológiai anyagok, amelyek a számítástechnikai hardverek készítésénél felhasználhatók?

3.5. Analóg és digitális jelek az idegrendszerben A kutatások különösen izgalmas területe az idegrendszerben felfedezhető analóg és digitális működés közös megjelenése, annak leírása és az így szerzett ismeretek felhasználása az informatika tudományterületén. Analóg jel: A valóság hű leírására alkalmas „folyamatos jel.” Bármely időpillanatban a valósághoz leghűségesebben értelmezhető. Értéke folyamatosan együtt változik azzal, amit jelöl. Adott tartományban bármely állapotot (értéket) képes fölvenni. Pl. a hagyományos óra, amelynek mutatója az idő változásának függvényében folyamatosan mozog, két pont között bárhely helyet felveheti. Digitális jel: A valóság közelítő leírására alkalmas diszkrét, vagy „lépcsőzetes jel”. Az időben folyamatos jelenséget tetszőleges számú elemre bontva (mintavételi gyakoriság), annak minden eleméhez pontos és meghatározott (diszkrét) értéket rendelve írja le az adott folyamatot. Pl. a digitális óra, melynek kijelzője csak adott értékeket mutathat. Bár az analóg jelek a valóság hűségesebb (elvileg adatvesztés nélküli) leírására alkalmasak, a digitális jelek az információ egyszerűbb, tárolhatóbb, zaj-mentesebb továbbítására használhatóak. Az idegrendszerben mind az analóg, mind a digitális jeltovábbítás formájával, sőt analóg jelek digitális, és digitális jelek analóg jellé alakításával is találkozhatunk. Analóg jel pl. az EPSP, vagy IPSP megjelenése (folyamatos, mérete az ingerlés mértékétől függ, értéke a keletkezés helyétől távolodva folyamatosan csökken). Digitális jel pl. az akciós potenciál (a „mindent vagy semmit” törvénye alapján amplitúdója meghatározott, keletkezése után csillapodás nélkül végigfut az axonon). Analóg jelek digitális jelet képesek elindítani: ha pl. egy sejten több EPSP hullám keletkezik, ezek szummálódása akciós potenciált eredményezhet. Digitális jelek analóg folyamatokat indíthatnak el: pl. egy izmot ért akciós potenciál annak (folyamatos jellegű) összehúzódását eredményezheti.