Agyunk szervezetünk legenergiaigényesebb szerve. Ugyan testünk tömegének csak 2 %-át adja, működése azonban a felvett energia 25 %-át emészti fel.

Az élet valójában nem más, mint egymásra épülő, jól összehangolt kémiai reakciók sora. Mint minden más élőlény, az emlősök – és így az ember is – a növények által vízből és szén-dioxidból élőállított glükózt használja fel elsődleges energiaforrásként. Ebből építi fel a glikolízis, a piruvát oxidáció, a Szent-Györgyi–Krebs ciklus és az oxidatív foszforiláció lépései során a sejtek energiavalutáját, az ATP molekulát, mely azután számos különböző folyamat működéséhez biztosítja az energiát. Az energia felvétele és tárolása szempontjából tehát az agy nem különbözik jelentősen a szervezet többi részétől. Annál inkább eltér azonban a felhasználás módja, és különösen annak volumene.

Mire megy el az energia?

Az emberi agy egy mintegy 10 milliárd idegsejtből felépülő rendkívül bonyolult hálózat. Minden egyes sejtje több millió fehérjéből épül fel, melyek egyenként több száz aminosavat, vagyis több ezer atomot tartalmaznak. Ráadásul ezen fehérjék mindegyike 7 naponta lebomlik és újratermelődik. Azt gondolnánk, hogy ennek a hatalmas fehérjearzenálnak az előállítása óriási energiákat emészt fel. Ez így is van. Azonban mindez nem több mint 2 %-át teszi ki az agy ATP (vagyis energia-) felhasználásának. Az igazán energiaigényes folyamat ugyanis nem a fehérjék előállítása, hanem azok működtetése. Ezen belül is kiemelkednek azonban – mind energiaigényüket, mind jelentőségüket tekintve – azok a fehérjék, melyek a sejtek ionháztartását, azaz a sejten belüli és a sejtek közötti tér ionkoncentrációit szabályozzák.

Az axonvégződésekben található, a neurotranszmitter molekulákat tartalmazó vezikula szerkezete a membránjában ülő több tucat fehérjével, melyek a neurotranszmitterek raktározásáért és a sejt kisülése esetén azok kibocsátásáért felelnek. Egy vezikula belsejében mintegy 4-5000 jelátvivő molekula tárolódik.

A nyugalmi membránpotenciál – a felhúzott rugó

Az ionkoncentrációk szabályozása azért kiemelkedően fontos, mert az idegsejtek működési módjukat tekintve valójában apró elektrokémiai cellák, melyeknek folyamatosan „feltöltött” állapotban kell lenniük, hogy ha eljön az ideje, kisülhessenek és hozzájárulhassanak az információ terjedéséhez az agyban. Ezt a „felhúzott” állapotot úgy érik el, hogy a sejten belül és azon kívül, a sejtek közötti térben eltérő a sejtek működésének szempontjából legfontosabb három ion, a Na+, a K+ és a Cl- koncentrációja. A sejt belsejében a sejtek közötti térhez képest jóval alacsonyabb Na+ és Cl-, illetve magasabb K+ koncentráció alakul ki. Ennek következtében a sejtmembrán belső fele a külsőnél negatívabbá válik. A membrán két oldala között kialakuló feszültségkülönbséget nevezzük nyugalmi membránpotenciálnak. Ennek értéke idegsejtekben -70 mV körül van. Azonban nem elég ezt az ionkoncentráció különbséget kialakítani, folyamatosan fenn is kell tartani. Ugyanis a sejtmembrán mind a Na+, mind a K+ ionokra nézve egy kicsit lyukas. Ezen ionok a koncentráció különbségüknek megfelelő irányban (vagyis a Na+ befelé, a K+ pedig kifelé) át tudnak szivárogni a membránon. Az eredeti koncentráció arányt tehát folyamatosan vissza kell állítani. Ezt a feladatot végzi a Na+/K+ ATPáz nevű fehérje, mely 1 ATP molekula felhasználásával 3 Na+ iont pumpál ki a sejtből, miközben 2 K+ iont juttat be oda. A sejtmembrán „lyukassága” miatt a Na+/K+ ATPáznak folyamatosan dolgoznia kell: másodpercenként mintegy 300 millió ATP molekulát használ fel egyetlen sejt. Ez a mennyiség azonban még mindig csak 10-15 %-a az agy teljes energiafogyasztásának.

Az akciós potenciál – amikor tüzel az agy

A felhúzott rugóként bevetésre váró idegsejtek ugyanis vajmi keveset érnének önmagukban. Ahhoz hogy szerepüket hatékonyan betölthessék elkerülhetetlenül szükség van arra, hogy hálózatba szerveződjenek, és hogy ebben a hálózatban rendszerezett információáramlás alakuljon ki. Ezt az információáramlást valósítja meg az akciós potenciál, amelynek működtetése természetesen további energiát igényel. Az akciós potenciál kialakulásához az vezet, hogy a sejt ingerlésének hatására megnyílnak a sejtmembránban található feszültségfüggő Na+ ioncsatornák, és Na+ ionok indulnak meg a sejt belseje felé. Ennek hatására a membránpotenciál még tovább növekszik, aminek következtében újabb Na+ ioncsatornák nyílnak, és ez az öngerjesztő folyamat rendkívül gyorsan, körülbelül 1 ms alatt -70 mV-ról +40 mV közelébe növeli a membránpotenciált. Ezt a folyamatot nevezzük az idegsejt tüzelésének vagy kisülésének. Ez a megnövekedett feszültség azután elektromosan továbbterjed a sejtek ingerülettovábbító nyúlványa, az axon mentén és a közelben újabb Na+ ioncsatornákat késztet nyitásra, melyeken keresztül beáramló Na+ ionok és az ezek hatására bekövetkező membránpotenciál változás azután még újabb Na+ ioncsatornákat nyit meg.  Az ingerület terjedése során tehát rövid idő alatt nagy mennyiségű Na+ ion áramlik be a sejtekbe, melyeket természetesen vissza kell pumpálni a külső térbe, hogy a következő ingerület érkezésekor ismét reagálni tudjanak. Ezt a feladatot ismét csak a Na+/K+ ATPáz végzi el, ingerületenként mintegy 380 millió ATP molekulát emésztve el. Mivel pedig másodpercenként átlagosan négyszer tüzel egy idegsejt (legalábbis az egér és patkány idegsejtjei, melyekből az erre vonatkozó ismeretek jó része származik), az akciós potenciálok működtetése sejtenként 1,5 milliárd ATP molekulát használ fel egyetlen másodperc alatt.

Egy idegsejt mikroszkóp alatti képe. A sejttestből hosszan nyúlik ki az axon, mely maga is többszörösen elágazódik, hogy más idegsejteket érjen el. Az akciós potenciál az axonnyúlványon terjed végig a sejt kisülésekor.

A kémiai jelátvitel – ingerlő molekulák

Az agyműködés eddig számba vett folyamatai elsősorban elektromos jeltovábbításhoz kapcsolódnak. Az emberi agy mintegy 10 milliárd (1010) idegsejtje közötti 60 billió (6x1013) kapcsolatot azonban nagyrészt kémiai szinapszisok biztosítják. A kémiai szinapszis esetében a két kommunikáló idegsejt nem közvetlenül érintkezik egymással, közöttük egy körülbelül 30 nm (a milliméter harmincezred része) széles tér, az úgynevezett szinaptikus rés található. Ezt a teret hidalják át a jelátvivő molekulák vagy más néven neurotranszmitterek, melyek a két idegsejt között átúszva biztosítják az információátadást. A jelátvivő molekulák az axonnyúlványok végén úgynevezett vezikulákba becsomagolva találhatók és az axon mentén terjedő akciós potenciál hatására szabadulnak fel a szinapszisban. Mivel azonban az axonok elágaznak, egy idegsejt több, átlagosan 8000 másik idegsejtet ér el. Egy akciós potenciál tehát egyidejűleg 8000 különböző helyen válthatja ki a neurotranszmitterek felszabadulását. Mivel azonban a felszabadulás csak nagyjából 25 %-os valószínűséggel következik be, végeredményben egy idegsejt tüzelése 2000 különböző helyen váltja ki a jelátvivő molekulák kibocsátását. Egy-egy axonvégződésből egyszerre 4-5000 molekula szabadul fel, melyek azután átdiffundálnak a fogadó idegsejt felszínéhez és hozzákötődnek az ott a sejtmembránban ülő receptorokhoz. Ezek a receptorok tulajdonképpen szintén ioncsatornák, melyek alapállapotban zárva vannak, de a neurotranszmitter kötődésének hatására kinyílnak, és ezáltal bizonyos ionokat átengednek a sejtfalon. Az így megbomló ionegyensúly ismételt helyreállítása, valamint a kibocsátott 8-10 millió jelátvivő molekula újracsomagolása további 1,3 milliárd ATP molekulát fogyaszt el másodpercenként egyetlen sejtre számolva.

Annak felismerése, hogy milyen folyamatok állnak az agy mérhetetlen energiaéhségének hátterében, és milyen kémiai reakciók biztosítják számára ezt az energiát rendkívül fontos feladat. Ez segít hozzá, hogy megértsük, sőt akár lássuk is hogyan lát, érez, gondolkozik az agy (ld. a funkcionális mágneses rezonanciáról szóló keretes írásunkat). Ugyanakkor azt is lehetővé teszi, hogy az energiaellátás zavarai, például egy rövid idejű oxigénhiány esetén hatékonyabb segítséget nyújthassunk e rendkívül aktív és épp ezért oly sérülékeny szervnek.