Az idegsejtek dendritjei analóg/digitális hibrid jeleket használnak | MTA

Az idegsejtek dendritjei analóg/digitális hibrid jeleket használnak

Az MTA KOKI kutatói felismerték, hogy az idegsejten belüli digitális jelfeldolgozás összetettebb, mint eddig gondoltuk. Leírták, hogy a „visszaterjedő” akciós potenciálok nem csak digitális információt közvetítenek a dendritjeik felé, hanem az idegsejtek általános állapotát tükröző analóg tartalmat is hordoznak. Ez a hibrid visszajelzés növeli az agy számítási kapacitását, mivel így az  idegsejtek az általános állapotukra jellemző dúsított információcsomagokat használnak a szerteágazó idegi hálózatokon belül.

2016. december 14.

Az A Nature Communications folyóiratban megjelent publikáció itt érhető el.idegrendszer korlátlannak tűnő számítási kapacitása azon alapul, hogy sejtjei analóg-digitális/digitális-analóg jelátalakítást végeznek. Míg az analóg jelek széles tartományban változhatnak, addig a digitális akciós potenciálok mindent-vagy-semmit elven működő egységnyi jelet közvetítenek az egész idegsejten belül. Az idegi számítási folyamat első lépése, hogy az idegsejtek a dendritnyúlványaikon található akár több tízezer, más sejtektől érkező szinapszisban analóg elektromos jeleket generálnak. Ha megfelelő számú serkentő analóg jel érkezik egy idegsejtre, akkor a sejt a küszöbérték elérése után egy digitális feszültség jelet generál a sejttest és az axon határán. Ezt a jelet nevezzük akciós potenciálnak, amely mindig egyforma erősségű és mindent-vagy-semmit elven végigterjed az idegsejt axonjában (ehhez kapcsolódó Nobel-díj előadások linkjei, 1963: Eccles, Hodgkin és Huxley; 1991: Neher és Sakmann).

Az akciós potenciál aktiválja az axon által kialakított szinapszisokat, amelyek analóg jeleket generálnak a következő idegsejtekben (ehhez kapcsolódó Nobel-díj előadások linkjei: 1970: Katz; 2013: Südhof). Amellett, hogy a digitális információtovábbítás megbízható, az idegsejtek és kapcsolataik nagy száma miatt óriási számítási kapacitást biztosít, hasonlóképpen a számítógépek működésének alapelvéhez.

Tehát a közelmúltig úgy gondoltuk, hogy az akciós potenciálok pusztán digitális információt hordoznak az idegsejteken belül. Azaz, a digitális akciós potenciál által hordozott információ teljesen felülírja az azt kiváltó megelőző analóg jelet, és a küszöb elérése után csak ez az egységnyi jel továbbítódik az idegsejt nyúlványai felé. Nemrégiben azonban német és amerikai kutatócsoportok felfedezték, hogy az idegsejtek kimenetét adó nyúlványaiban az akciós potenciálok megőriznek valamennyi analóg eredetű elektromos információt, amely módosíthatja az elsődleges digitális tartalmat. Ezáltal az akciós potenciálok az aktuális aktivitás mellett azt az információt is továbbíthatják, hogy milyen általános állapotban keletkeztek, ezzel gazdagítva az idegi kommunikáció eszköztárát.

Az akciós potenciálok azonban nem csak „előrefelé” terjedve közvetítenek digitális információt a sejttesttől kiindulva, hanem „visszafelé” is, a szinaptikus bemeneteket fogadó dendritek irányába. A dendritekben az akciós potenciál más idegi szerepet tölt be, mint az axonokban. Például, a „visszaterjedő” akciós potenciálok visszajelzést jelentenek a beérkező szinapszisok fenntartásához és szabályozásához.

Forrás: MTA KOKI

Akciós potenciál! Nyomokban analóg információt tartalmaz

Brunner János és Szabadics János munkájából pedig most az is kiderült, hogy ezek a visszaterjedő akciós potenciálok is tartalmaznak analóg információt. Ezt úgy mutatták ki, hogy két apró elektródát használva egyidejűleg vizsgálták a sejttest és a vékony dendritek feszültségjelét, illetve az akciós potenciálok és az analóg állapot közötti összefüggéseket. A sejttest analóg állapotától függően – amely a teljes dendritfa működését tükrözi – változott a dendritekbe visszaterjedő akciós potenciálok alakja. Az eltérő alakú akciós potenciálok a dendritekben eltérő mennyiségű kalciumion beáramlásához vezetnek, erről pedig ismert, hogy az egyik legfontosabb biokémiai jel a szinapszisok szabályozásában. Végül azt is bebizonyították, hogy az ily módon eltérő kalciumjelek állapotfüggő változásokat eredményeznek a szinapszisok erősségében. Azaz, végső soron a beérkező szinapszisok képesek értelmezni a sejt általános állapotától függő analóg információtartalmat.

Az, hogy az akciós potenciálok nem csak digitális időzítési információt hordoznak, hanem az analóg tartalmuk miatt hibrid jelként működnek, nagyban növeli az idegi hálózatok számítási kapacitását. Tehát nem csak az fontos, hogy melyik idegsejt mikor aktív, hanem az is, hogy ez milyen állapotban és milyen megelőző aktivitás után történik. Ez ugyanakkor azt is jelenti, hogy az agy működésének megértéséhez nem elég megismerni az egyes akciós potenciálok időzítését, hanem azt az általános állapotot is ismerni kell, amikor ezek keletkeznek.

A Nature Communications folyóiratban megjelent publikáció itt érhető el.

A címlapkép forrása: Flickr/Parthiv Haldipur.