Sokszor halljuk az agyról, hogy egy elképesztően összetett rendszer. De vajon mennyire bonyolult is az agy? A legegyszerűbb esetben két idegsejtből áll, amelyek között csak egy kapcsolat alakult ki. Ekkor a kapcsolat vagy aktív, vagy nem. Ez a két állapot megfelel egy eldöntendő kérdésre adott igenlő vagy nemleges válasz információtartalmának, vagyis egy bit információ köthető egy idegi kapcsolathoz. Ha példánknál maradva nemcsak az egyik sejt felől alakul ki kapcsolat a másikkal, hanem a másik felől is az egyikkel, akkor már 2x2, azaz négyféle állapota lehet a rendszernek és így tovább. Ez az egyszerű példa azt is megmutatja, hogy nem az összes, hanem csak bizonyos idegsejtek között jönnek létre kapcsolatok. Az emberi agyban körülbelül tízmilliárd idegsejt található, és egy idegsejtnek ezer és tízezer közti kapcsolata van, így a kapcsolatok összes számát minimálisan 1013-ra tehetjük. Az agyunk működési állapotainak számát tehát szerényen számítva úgy kapjuk, hogy a 2-t 1013-szor összeszorozzuk önmagával. Hogy mekkora ez a szám? Meglepően, szinte elképzelhetetlenül nagy: nagyobb, mint az világegyetemben található ismert elemi részecskék száma. Az idegsejtek közötti kommunikációnak két fő iránya lehet: léteznek serkentő és gátló szinapszisok, amelyek, egy szójátékkal élve, az agykérgi akciók és szankciók kivitelezői.
Mivel a kísérletes technika fejlődése csak az utóbbi időben tette lehetővé a kérdés direkt vizsgálatát, érdemes egy kicsit a modelleknél maradnunk. A modelleken kipróbálható, hogyan érkezik egy modell idegsejtre az „a” bemenet és egy második bemenet az „a”, „b” és „c” pozícióban. Az első („a”) és a második („a”, „b” vagy „c”) bemeneti jel nagysága ugyanakkora. Számításaink szerint ha egynél több bemenet érkezik egyszerre ugyanarra a modellezett idegsejtre, akkor a sejt számára az első után következő (második, harmadik stb.) bemenetek jelentősége csökken.
Hasonlattal élve ez megfelel annak, amikor egy karnagy csak a szólamokat hallja, de nem fontos számára, hányan énekelnek egy adott szólamban. Néhány évvel ezelőtt elvégeztük ezeknek a modelleknek a kísérletes tesztjét, amelynek során egyszerre három idegsejtből rögzítettünk jeleket. Ha a matematikai és kísérletesen kiszámított összeg nem különbözik, akkor levonhatjuk azt a következtetést, hogy az idegsejtek számára az a fontos, hány hasonló bemenet érkezik, mert a pluszbemenetek hatékonyak. Mit jelent ez a kórushasonlathoz visszatérve? Az idegsejtek olyan karnagyok, akik nemcsak a szólamokat tudják megkülönböztetni, hanem felismerik azt is, hányan éneklik a szopránt vagy a tenort.
Még egy dolgot emelhetünk ki a serkentő szinapszisok összeadódásának vizsgálatával kapcsolatban. Az agykérgi idegsejtek közti serkentő szinapszisok egyedül, de még ketten-hárman összeadódva sem képesek a célsejtet aktiválni, azon nem alakul ki akciós potenciál. Ez azt is jelenti, hogy a célsejt egy harmadik sejt felé már nem továbbít jeleket, tehát egy serkentő sejt nyelvi példával élve csak egy hang kiadására képes, hosszabb szavak kommunikációjára már nem alkalmas.
A következőkben egy magyar gyökerekkel rendelkező kísérletsoron keresztül mutatjuk be, hogyan alakulhatnak ki összetettebb jelsorozatok az agykérgi hálózatokban. Ehhez először meg kell ismerkednünk a gátló jellegű idegi kapcsolatok működésével. A gátló idegsejtek jeladó axonjai az agykéregben gamma-amino-vajsavat, „gabá”-t raktározó hólyagocskákat tartalmaznak. Ha a gátló idegsejt aktív, vagyis akciós potenciál alakul ki benne, akkor a hólyagocskák gabatartalma az axon és a célsejt közötti résbe szabadul fel. A célsejt sejthártyájában gabaérzékeny molekulák, úgynevezett gabareceptorok helyezkednek el, amelyek a sav hatására kloridionokat engednek át a sejthártya egyik oldaláról a másikra. Mivel az idegsejtek körül nagyobb a kloridionok koncentrációja, mint a belsejükben, ezért a kloridionok kívülről befelé áramlanak. Negatív töltést visznek a sejt belsejébe, így a célsejt állapotát jellemző úgynevezett membránpotenciál negatív irányba tolódik el, a célsejt gátolt állapotba kerül.
Szentágothai János fedezte fel a gátló sejtek talán legkülönlegesebbjét a hetvenes évek elején. Agykérgi minták vizsgálatakor talált egy olyan sejttípust, amelynél az axon morfológiája a gyertyatartók alakjára emlékeztette, ezért kandelábersejtnek nevezte el. Később kiderült, hogy a kandelábersejtek a gátló sejtek igazi arisztokratái. Somogyi Péter jött rá, hogy különleges helyen, az axon kezdeti szakaszán kapcsolódnak a többi idegsejthez. Az is világossá vált, hogy a kandelábersejteken kívül nincs más idegsejttípus, amely ide kapcsolódna. Az axon kezdeti szakasza az idegsejteknek különleges pontja: itt dől el, hogy a sejt aktív állapotba kerül-e, másképpen fogalmazva itt alakul ki az akciós potenciál. Mivel a kandelábersejtek gabát szabadítanak fel a célsejtek legérzékenyebb részére, úgy tűnt, hogy ők a leghatékonyabb gátló idegsejtek. Másik egyedi tulajdonságuk, hogy kizárólag serkentő hatású sejtekhez kapcsolódnak, míg a többi gátló idegsejt serkentő és gátló sejtekhez egyaránt juttat jeleket.
Molnár Gábor és Tamás Gábor meglepő dolgot tapasztalt a kandelábersejtek hatását vizsgálva. Amikor összehasonlították a kosársejtek felől a sejttestre és a kandelábersejtek felől az axon kezdeti szakaszára érkező kapcsolatok hatását, azt látták, hogy a kosársejtek gátló, a kandelábersejtek viszont serkentő jellegűek. Hogyan lehetséges ez, ha mindkét sejt gabával hat a célsejtek kloridionokat áteresztő csatornáira?
Azzal magyarázható a kísérleti eredmény, hogy a kloridionok furcsa irányban áramlanak az axon membránján keresztül. Míg a sejttesten a kloridionok a már megismert módon, kívülről befelé mozognak a membránon át, addig az axon területén ez az ellenkező irányban történik. Így negatív töltésvesztés tapasztalható az axon belseje felől, ami serkentő, pozitív hatást eredményez. Ezek szerint a sejt belsejében eltérő a kloridionok koncentrációja attól függően, hogy melyik sejtrégióban vagyunk. A sejttestben viszonylag kevesebb, az axonban pedig több kloridion található. Az ionok áramlása az idegsejtek sejttestén és az axon kezdeti szakaszán található klorideltávolító molekulák sűrűségétől is függ. A kandelábersejtek furcsa, serkentő hatását az okozza, hogy az idegsejtek axonjába a kloridionok könnyen bejutnak, de nehezebben kerülnek ki onnan, mint a sejt más részeiről.
Most már tudjuk a harminc évig a leghatékonyabb gátló neuronnak hitt kandelábersejtekről, hogy serkentő hatásúak. Van tehát egy serkentő bemenetünk, amely a célsejt jeladó részének kezdetére érkezik. De vajon mennyire hatékony ez a serkentés, ha a hatás pontosan a célsejtek legérzékenyebb pontjára irányul? Ez azért is érdekes, mert a többi serkentő hatás ezzel szemben a célsejt jelfogadó részeire, a dendritekre érkezik, távolabb az axon kezdeti szakaszától. Hasonlítsuk össze a szokványos serkentő bemeneteket a kandelábersejtek hatásával!
Az előadó Oláh Szabolccsal együtt végezte el ezeket a kísérleteket, és már az első alkalommal nyilvánvaló volt a különbség. Egy átlagos serkentő bemenet csak annyira képes, hogy enyhén pozitív irányba tolja el a célsejt membránpotenciálját. Nem így a kandelábersejtek felől beérkező hatás! Ha az axonra érkezik a serkentés, akkor a célsejtek akciós potenciállal válaszolnak, ez pedig azt jelenti, hogy a kandelábersejtek az agykéreg leghatékonyabb serkentő sejtjei.
Milyen következményei vannak az agykérgi hálózatokban egy ilyen nagy hatású sejt működésének? Szabadics János eredt a probléma nyomába. A kandelábersejtek bemutatásakor említettük, hogy csak serkentő hatású neuronokra adnak jeleket. Ha tehát azon idegsejtek hatását keressük, amelyeket a kandelábersejtek már aktiváltak, később bekövetkező serkentő jelekre kell vadásznunk az agykérgi hálózatban.
Ez a vadászat meg is hozta a gyümölcsét, megtalálták ezeket a jeleket. Sikerült bizonyítékot szerezni arra, hogy a kandelábersejtek több, egymás után bekövetkező eseményt képesek előidézni az agykérgi hálózatokban. Az események láncolata azonban már több mint egybitnyi információt hordoz, ezért a kandelábersejtek hatása hálózati szinten minőségileg különbözik az eddig ismert idegsejtekétől. Visszakanyarodva a nyelvi példához, a kandelábersejtek képesek az egyes hangokon túl rövid szavak összerakására is.
Mi lehet egyáltalán az eseményláncok jelentősége? Több mint fél évszázaddal ezelőtt a híres tengerentúli pszichológus, Donald Hebb javasolt egy azóta már klasszikussá vált modellt az agykérgi memóriatárolásra és -előhívásra. A Hebb-féle neuronhálózatokban, a memória hipotetikus agykérgi őrzőiben olyan idegsejtek alkotnak működési egységeket, amelyek egymással nincsenek direkt összeköttetésben. Az egyszerre aktivált idegsejtek hálózata alakít ki egy-egy memóriaegységet, amely később könnyen előhívható. A kandelábersejtek felől aktiválható neuronhálózatok a Hebb-féle elven szerveződnek: a bennük részt vevő sejtek nem mindegyike van direkt összeköttetésben a kandelábersejtekkel, de a kandelábersejt jelei könnyen előhívják a „memóriaegységet”, vagyis a rövid eseményláncot.
Végül vizsgáljuk meg a kandelábersejtek esetleges szerepét két idegrendszeri betegségben! Egy kandelábersejt több száz célsejttel áll kapcsolatban. Ha a célsejtek mindegyikét képes lenne aktiválni, az katasztrofális következményekkel járna, az adott agyterületen epilepsziás góc alakulna ki. Mivel a kandelábersejteket a gátlás hatékony eszközének tekintették, eddig inkább antiepileptikus szerepet tulajdonítottak nekik. Az új eredmények fényében azonban valószínűbb az epilepsziás folyamatok kiváltásában betöltött szerepük, ami felveti új, kizárólag a kandelábersejteken ható gyógyszerek fejlesztésének a lehetőségét. Az ilyen típusú hatóanyagokra nagy szükség lehet a skizofrénia kezelésében is, ugyanis az agykérgi gabával működő kapcsolatok közül egyedül az axonok kezdeti szakaszára érkező szinapszisok változnak meg a skizofrén betegekben. Még nem értjük, hogyan vezet ez a skizofréniában tapasztalható tünetekhez, de a sejten belüli kloridháztartást befolyásoló vagy a kandelábersejtek működését szelektíven változtató gyógyszerek a jövőben talán segíthetnek a betegeken.
A fenti szöveg a március 26-án elhangzott előadás rövidített változata. Megtekinthető március 31-én 10.40-kor a Duna Televízió és 13 órakor az MTV műsorán. A következő előadást április 2-án 19.30-kor a Jövő Háza Teátrumban (Budapest II., Fény u. 20–22.) Vint Cerf tartja Az internet szabadsága címmel. A részvétel ingyenes, az előadások teljes szövegét a hozzászólásokkal és a vitával együtt a www.mindentudas.hu weblapon találják meg az érdeklődők.
origo.hu
Ismét Magyarországra érkeznek a Google utcaképkészítő járművei
