Energiatakarékos neuronok az agyban

Az emberi agy a legmohóbb energiafaló a szervezetben: a test energiaszükségletének 20 százalékát fogyasztja, holott tömege csak 2 százaléka össztömegünknek. Egy új kutatás azonban most arra az eredményre jutott, hogy az elfogyasztott energiának csak kis hányada szükséges az agyban cikázó elektromos impulzusok létrehozásához. Valójában ezek a jelek jóval gazdaságosabban terjednek, mint korábban gondolták.

1939-ben két brit fiziológus, Alan Hodgkin és Andrew Huxley tett először kísérletet arra, hogy kiderítse, miként továbbítják a neuronok (idegsejtek) az elektromos jeleket, az úgynevezett akciós potenciálokat. Mivel a neuronok zöme parányi - emberben egy köbmilliméternyi szürkeállományban akár 40 000 idegsejt is lehet - a páros a tintahalhoz fordult, amelynek 10 centiméteres axonnal (a neuron hosszú, vékony nyúlványa, amelyen keresztül az akciós potenciál halad) rendelkező idegsejtjei vannak. Hodgkin és Huxley az akciós potenciál terjedésének modellezéséért 1963-ban Nobel-díjat kapott.

Hodgkin és Huxley modellje szerint az akciós potenciál továbbításához a tintahal óriás axonjában három-négyszer akkora energia szükséges, mint amennyi akkor kellene, ha igazán hatékonyan működne. Vagyis az axon hatásfoka nagyjából 25-30 százalékos, annyi, mint egy gépkocsi motorjáé. Ezt az értéket évtizedekig elfogadták, csak most kérdőjelezte meg Henrik Alle, a frankfurti Max Planck Agykutató Intézet idegkutatója. Szerinte nem tűnik logikusnak, hogy a természet, illetve az evolúció ne próbálta volna meg optimalizálni egy ilyen fontos jel átvitelét úgy, hogy az energetikai szempontból a leghatékonyabb legyen.

Alle és munkatársai elhatározták, hogy emlősneuronok felhasználásával újravizsgálják a hatékonyság kérdését. A kutatók egy Hodgkin és Huxley idejében még nem létező technikát alkalmazva rögzítették a patkányok agyának memória- és tanulási központjaiban lévő neuronok között futó áramokat. Az adatok értékelése után kiderült, hogy az akciós potenciál két-háromszor olyan hatékonyan halad a patkány neuronjai között, mint ahogy az a Hodgkin-Huxley modell alapján várható lenne. A folyamat hatásfoka nem 30, hanem 70-80 százalékos (ami megközelíti az elméleti maximumot!), számolnak be eredményeikről a kutatók a Science legújabb számában.

Honnan ered ez a nagy különbség? A Hodgkin-Huxley modellben az akciós potenciálokat létrehozó pozitív és a negatív ionok látszólag vetélkednek egymással. A pozitív nátriumionok beáramlanak a sejtbe ugyanúgy, ahogy a pozitív káliumionok kiáramlanak onnan. Ez olyan, mintha egyszerre nyomnánk a gázt és a féket, mondja Michael Häusser, a londoni University College idegkutatója. Alle és munkatársai azonban azt tapasztalták a patkányneuronok esetében, hogy az egyik ioncsatorna megnyitását követi a másik. A kálium csak akkor kezd kilépni, amikor már majdnem befejeződött a nátriumbeáramlás. Először jön a gáz, azután a fék, ami jóval hatékonyabb folyamat.

Arra, hogy akkor vajon mire használja az agy az energia fennmaradó részét, Alle a következőket válaszolja. Egy része egyszerűen a neuronok életben tartására, a maradék pedig az adatfeldolgozásra és -tárolásra fordítódik. A kutatók eredményei arra utalnak, hogy több energia használódik fel a jelek neuronról neuronra való továbbításához, mint az elektromos jeleknek az axonon való továbbjuttatásához.

Forrás: Science / AAAS