A neuronaktiváció irányérzékenysége
Bár egyes neuronokban és neuronpopulációkban (például a szenzoros kéregben) sikerült kimutatni egyfajta irányérzékenységet, illetve azt, hogy az ingerlés tér- és időbeli mintázata befolyásolja a neuronális választ, Wilfrid Rall 50 éves hipotézisét most sikerült először közvetlenül igazolni egy technikailag lenyűgöző kísérletsorozattal.
Majdnem 50 évvel ezelőtt Wilfrid Rall, a számítógépes idegtudomány egyik megalapítója megpróbált választ adni az idegtudomány egyik legalapvetőbb kérdésére: hogyan detektálják, szervezik rendszerbe és dolgozzák fel az idegsejtek azt a számtalan kémiai és elektromos jelet, amelyek a dendritjeiken levő sokezer szinapszis felől érkeznek a sejttestbe. Azt a hipotézist állította fel, hogy a sejttest válaszát az szabja meg, hogy milyen sorrendben aktiválódnak a dendriten a szinapszisok: a perifériától a sejttest felé (centripetálisan) vagy ellenkező irányban (centrifugálisan). Az egyik irányú aktiváció például akciós potenciált, tüzelést válthat ki, míg a másik irányúnál a sejttest néma marad.
Bár azóta egyes neuronokban és neuronpopulációkban (például a szenzoros kéregben) sikerült kimutatni egyfajta irányérzékenységet, illetve azt, hogy az ingerlés tér- és időbeli mintázata befolyásolja a neuronális választ, Rall hipotézisét most sikerült először közvetlenül igazolni egy technikailag lenyűgöző kísérletsorozattal.
A kísérleteket Branco és munkatársai végezték patkány agyszeleteken egy lézeres módszer segítségével, amellyel a dendrit kis, kiválasztott részeit lehet ingerelni. Az agykérgi piramissejteket vizsgálták, amelyek a legnagyobb agysejtek közé tartoznak és többféle dendritjük van, mindegyiken dendrittüskék ezreivel vagy kidomborodásokkal, amelyek egy szinapszisból kapnak bemenetet. Az ún. két-foton vezérelt lézeres fényingerléssel el tudták érni, hogy glutaminsavat, egy aktiváló neurotranszmittert juttassanak egy-egy kiválasztott dendrittüskére, vagyis térben és időben pontosan szabályozni tudták a dendritek ingerlését. Így komplex ingerlési mintázatokat is létre tudtak hozni.
Fő eredményük Rall feltevésének igazolása volt: kimutatták, hogy az idegsejtek rendkívül érzékenyek az ingerlés irányára. Bebizonyosodott, hogy Rall jól gondolta: a neuron sejttestének válasza akkor volt a legerősebb, ha centripetális volt az excitációs bemenetek iránya, és akkor a leggyengébb, ha az aktivációs irány centrifugális volt. Emellett Branco és munkacsoportja arra is fényt derített, hogy milyen mechanizmusnak tudható be ez a tulajdonság.
Az NMDA receptor kulcsszerepe
Rall azt feltételezte, hogy pusztán a dendrit passzív tulajdonságai felelősek az irányérzékenységért, mégpedig az, hogy a dendrit kiindulásától a végéig egyre vékonyodik és emiatt elektromos tulajdonságai is változnak a dendrit hosszában, impedanciája a dendrit végéhez közeledve egyre nagyobb lesz. Ezért aztán a dendrit vége táján keletkező elektromos jelnek nagyobb impedanciát kell „legyőznie” a sejttest felé haladtában, mint a dendrit töve környékén keletkező jelnek. Ez a passzív mechanizmus azonban csak akkor adna magyarázatot az irányérzékenységre, ha a dendritek nagyon hosszúak lennének. Azonban a helyzet nem ez: a kérgi piramissejtekre a bemenetek 90 százaléka a bazális dendriteken keresztül érkezik, amelyek pedig túl rövidek ahhoz, hogy a Rall-féle mechanizmus működjön rajtuk.
Branco és munkatársai egy elegáns alternatív mechanizmust fedeztek fel: kimutatták, hogy az irányérzékenységban a NMDA (N-metil-D-aszpartát) receptor, amelyet a glutaminsav aktivál, kulcsszerepet játszik. Ez egy feszültségfüggő receptor – azaz a membránpotenciál értékétől függően nyit, illetve zár egy ioncsatornát –, és megfelelő körülmények között növeli a dendrit érzékenységét bizonyos szinaptikus aktivációsorozatokra, így a centripetális aktivációsorozatokra is. Ezt igazolja, hogy az NMDA receptorok blokkolásának hatására az irányérzékenység nagyrészt megszűnik.
A legérdekesebb felfedezés talán az volt, hogy az irányérzékenység akkor is fennáll, ha nem egy dendrit különböző pontjait aktiválják, hanem különböző dendriteknek a sejttesttől különböző távolságra eső részeit. A szerzők sokféle tér- és időbeli aktivációs mintázatot kipróbáltak, és minden esetben akkor kapták a legnagyobb választ, ha centripetális volt az ingerlés. Számítógépesen modellezték az eredményeket, és kiderült, hogy ezek teljesen megmagyarázhatók két tényezővel: az impedanciaváltozással a dendrit mentén és az NMDA receptorok hatásával. Mindez azt jelenti, hogy a neuronok nagyon szelektívek: csak bizonyos tér- és időbeli aktivációs mintázatokra válaszolnak. Ez valószínűleg szinte minden idegsejtre áll, mivel a dendritek impedanciaváltozása és az NMDA receptorok a legtöbb neuronban jelen vannak.
