SZOMATOSZENZOROS MŰKÖDÉS AGYI ELEKTROMOS TEVÉKENYSÉG ÉBRESZTÉS ÉBRENLÉT ALVÁS Dr. Eke András egyetemi docens Egyetemi jegyzet (2. elektronikus kiadása) Semmelweis Egyetem Klinikai Kísérleti Kutató- és Humán Élettani Intézet 2001.
RECEPTORFIZIOLÓGIA Általános bevezetés A receptorok működésének lényege az, hogy átalakítják a külső és a belső környezetből szervezetünket érő energiabehatásokat (ingereket), és így lehetővé teszik, hogy azok a perifériás és központi idegrendszerbe jussanak, ott feldolgozást nyerjenek, és így kialakulhasson a szervezetünket ért ingerbehatásra a biológiailag célszerű válasz. Alapfogalmak: inger ingerület érzet modalitás ingerintenzitás (erősség) időtartam gyakoriság, frekvencia lokalizáció A szervezetet, illetve annak részeit egyidejűleg különféle energia-behatások együttese éri. Ebből az ingertömegből egy-egy adott energiafajta felvételére azért van mód, mert az egyes receptorféleségek felépítésük és működésük alapján specializálódtak az adott energiaforma (mechanikai, kémiai, hő stb.) felvételére. A receptorok egy része érzékszerveket képez (szem, fül), és speciális ingermodalitás felvételével komplex érzékelési funkciók megvalósításában vesz részt (fény látás, hang hallás). Ezeknek a receptoroknak a működését az élettan megfelelő fejezetei tárgyalják. A receptorok osztályozása A receptorok osztályozása különféle szempontok szerint történhet: inger forrása: exteroceptorok (bőr, szem, fül stb.), interoceptorok (kemo-, baro-, proprioceptorok) ingerlő energia fajtája (mechano-, thermo-, noci-, foto-, kemoreceptorok) kialakuló érzetféleség (tapintás, hideg meleg, fájdalom, foto, halló, ízlelő, szagló) adaptáció (gyors és lassú) lokalizáció (felületi, mély, viszcerális, speciális) egyéb (tele- vs. kontakt receptorok) 2
MECHANORECEPTOR KEMORECEPTOR FOTORECEPTOR 1. ábra A receptormembrán tulajdonságának megváltozása inger behatására különféle receptorok esetében. A közös elem, mely a receptorban elindítja az ingerületi folyamatot, a membrán ionpermeabilitásának növekedése, vagy csökkenése. (Berne and Levy, Physiology, Fourth Edition, Fig. 7-2 alapján.) 3
A receptorokban az inger behatása jelet hoz létre Az érzékelés lényegi mozzanata az energiaátvitel (transzdukció), melynek során az inger behatására a receptorsejt mebrántulajdonsága megváltozik. A transzdukció eltérő modalitások esetében is az érzékelési folyamatban a közös, indító elem (1. ábra). Alapfogalmak: adekvát inger az ingerlő energiaátvitel (transzdukció) adaptáció kódolás A receptor számára adekvát inger az energiának az a fajtája, melyből már egy minimálisan elégséges mennyiség is kiváltja a receptorra jellemző ingerület-leadást, és előidézi a receptor által kódolt modalitására jellemző érzetet. Egy receptor specificitása egyrészt a receptor sajátos szerkezetéből, másrészt pedig sajátos működéséből adódik. Ezek együttesen határozzák meg, hogy egy adott receptor számára mi az adekvát inger, tehát mi is az, amit a receptor érzékel. Az energia-transzdukció két lépésben történik. Első lépésben az ingerlő energia kapcsolatba lép a receptorsejt membránjával, és annak ionpermeabilitását megváltoztatja (1 és 2. ábra). Ennek következtében a receptor ún. transducer régióján egy elsődleges helyi válasz, a receptorpotenciál (RP) alakul ki (3. ábra). Ha a receptorpotenciál meghaladja a receptor membránjára jellemző küszöbpotenciál értékét, akkor a receptor sejtmembránjának egy proximálisabb részén (generátor régió) kialakul az akciós potenciál (AP) (3. ábra). Minél nagyobb az ingerintenzitás (I), annál nagyobb a RP amplitúdója és így az APsorozat frekvenciája is (4. ábra). I és RP közötti összefüggést a Steven-féle hatványtörvény írja le: 4
2. ábra Egy mechanoreceptor ingerlése a receptor centrumában található idegvégződés membránját deformálja, ami a membránpermeabilitást megnövelve a legközelebbi Ranvierféle befűződés irányában lokális ionáramot generál. 3. ábra A receptorpotenciál az inger hatására a receptor transzducer régióján jelenik meg és terjed át a proximálisan elhelyezkedő akciós potenciál generáló + + + + + + Transzducer régió + + + + + + + + + + + + régióra. E két régió egymáshoz való kapcsolódásának jellege adja részbeni magyarázatát az adott receptorra jellemző adaptációnak. (Guyton and Hall, Textbook of Medical Physiology, Ninth Edition, Fig. 46-3 alapján.) + + _ + + + + + + + + Tovaterjedő akciós potenciál (AP) + + + + + AP-generáló régió mv Receptorpotenciál Akciós potenciálok -60-90 Küszöbpotenciál Nyugalmi membránpotenciál 0 100 IDŐ (msec) 4. ábra Ingerlés hatására az idegvégződés membránja depolarizálódik. A depolarizáció a receptorpotenciál mértéke arányos az inger intenzitásával. Ha a receptorpotenciál meghaladja az adott receptorra jellemző küszöbértéket, akkor akciós potenciál keletkezik, melynek frekvenciája arányos a receptorpotenciállal, és így az ingerintenzitással. (Guyton and Hall, Textbook of Medical Physiology, Ninth Edition, Fig. 46-2 alapján.) 5
V = k I I ) RP ( 0 n ahol V RP = a receptorpotenciál nagysága k = konstans I = ingerintenzitás I o n = küszöbintenzitás = hatványkitevő, egy adott modalitásra jellemző konstans Ez az összefüggés még ismeretes egy kevésbé pontos, jóval korábban leírt alakban is (Fechner-törvény). I V = k log I RP o A hatványkitevő, n, értéke egy-egy modalitásra és receptorféleségre jellemző állandó, mely lehet n<1, n~1 vagy n>1, és ami meghatározza, hogy az adott receptor mely intenzitástartományban mutat kis illetve melyben nagy érzékenységet (5. ábra). Látható, hogy egy bőr mechanoreceptor (n<1) igen érzékeny a kis energiatartományokban, és így igen alkalmas finom mechanikai ingerek detektálására (pl. bőr simítása). A hideg receptorok (n~1) válaszában megmutatkozó érzékenység nem függ az ingerintezitástól, míg a nociceptorok (n>1) a károsító behatás intenzitásának fokozódásával növekszik, mely egyezik azon tapasztalatunkkal, hogy ilyenkor a fájdalom jelentősen fokozódik. A receptorok egyrészt anatómiai felépítésük, másrészt a receptorfolyamatok eltérő természete miatt különböző mértékű adaptációt mutatnak. Ha folyamatos ingerbehatás mellett az AP-frekvencia az időben gyorsan csökken, a receptor gyors adaptációt mutat (fázisos vagy dinamikus receptor), ha az AP-frekvencia időbeni csökkenése 6
MECHANORECEPTOR Érzet intenzitása f AP V RP kis érzékenység nagy érzékenység I-I o HIDEGRECEPTOR Érzet intenzitása f AP V RP azonos érzékenység I-I o NOCICEPTOR nagy érzékenység Érzet intenzitása f AP AP log V RP V RP kis érzékenység I-I o 5. ábra Különféle receptorokat érő adekvát ingerintenzitás, I-I o, a receptorpotenciál, a receptor primer afferensének akciós potenciál frekvenciája, f AP, és a szenzoros központban kialakuló érzet erőssége közötti összefüggés (lásd Steven-féle hatványfüggvény). A receptor érzékenysége az egyes intenzitás tartományokban a hatványkitevő, n, értékétől függ. 7
nem jelentős, akkor lassú az adaptáció (tónusos vagy statikus receptorok) (6. ábra). Lassan és gyorsan adaptálódó mechanoreceptorok együttesen teszik lehetővé, hogy a bőrt érő mechanikai behatást a maga komplexitásában érzékelhessük (7. ábra). Az ingerrel kiváltott érzet időtartama a receptor és a receptor által kialakított jel feldolgozását végző központ(ok) adaptációjától függ. Az inger (jel) kódolása Az ingerben rejlő információ kódolása történhet: intenzitás szerint (frekvenciakódolás) lokalizáció szerint (kollaterális gátlás) ingerfajta szerint (jelölt pályák, modalitások és szubmodalitások) Intenzitás szerinti kódolás: Az intenzitás szerinti kódolás alapját a Steven-féle összefüggés képezi. Az eredeti információt a RP közvetítésével kiváltott AP-sorozat frekvenciája hordozza, mely a primer afferens roston terjed a központi idegrendszer irányába. A receptorban történő elsődleges kódolás technikai értelemben egy ún. analóg/digitális jelátalakítás (A/D konverzió), melynek során egy adott tartományban bármely értéket felvevő receptor-potenciálból (analóg jel) kialakul egy adott frekvenciájú AP-sorozat (digitális jel). Az AP-sorozat digitális jel, mert a frekvencia egy maximális értékkel behatárolt tartományában nem vehet fel akármilyen tetszőleges értéket, hanem csak meghatározott (diszkrét) értékeket. A kódolásra alkalmas digitális frekvenciaskála felbontását az adott receptorra és afferentációjára jellemző akciós potenciálok paraméterei, a vezetési sebesség és az ingerület szinaptikus átkapcsolásának folyamatai együttesen határozzák meg. A RP elektrotónusos tulajdonságai miatt csak helyi válasz kialakítására alkalmas, hosszabb távon amplitúdója folyamatosan és jelentősen csökken, ezért információ továbbítására nem alkalmas. Az AP viszont terjedése közben hosszabb távon sem veszít amplitúdójából, mivel terjedését az idegrost aktív membránfolyamatai (Hodgkinciklus) biztosítják. Az információ kódolásában az A/D jelátalakításnak tehát előnye az, hogy egy lokális, analóg jelből (RP), az információtartalom megőrzését biztosító, jelentős távolságú továbbításra alkalmas új kód (frekvenciakód) születik. Ez a kód 8
INGER 6. ábra Lassan adaptálódó receptor primer afferensén az akciós potenciálok frekvenciája folyamatos ingerlés esetén időben csak kis mértékben csökken, míg a gyorsan adaptálódó receptor esetében egy-két akciós potenciál kialakulása után megszűnik a receptorválasz. 100 % f AP 0 % Gyorsan adaptálódó (dinamikus), pl. Pacini-test IDŐ Lassan adaptálódó (statikus), pl. ín-, izomorsó POZÍCIÓ SEBESSÉG GYORSULÁS INGER Adaptáció 7. ábra Statikus és dinamikus mechanoreceptorok együttesen teszik lehetővé, hogy a bőrt érő mechanikai ingert a maga komplexitásában érzékelhessük. (Berne and Levy, Physiology, Fourth Edition, Fig. 7-4 alapján.) IDŐ Jelkonverzió Receptor A D/A D/A D/A A/D A/D A/D A/D A D A D A D A D Kód 8. ábra Analóg (A) és digitális (D) kód váltakozása a szenzoros információ neuronról neuronra történő terjedésekor. A jel terjedése digitális, feldolgozása analóg formában történik. 9
nem érzékeny sem az elektromos zajra, sem pedig az egymás mellett futó idegrostokon történő adatforgalomra. A kódolás lényeges eleme, hogy az A/D jelátalakítás a receptortól a felsőbb idegrendszeri központokig a szinaptikus átkapcsolódással kapcsolatban többször ismétlődik (8. ábra). Egy-egy szinapszishoz érkezvén ugyanis az AP-sorozat hatására a preszinaptikus membránon mediátor molekulák jutnak a szinaptikus résbe (mennyiségük az AP-sorozat frekvenciájának függvénye), majd diffundálnak a posztszinaptikus membránhoz, ahol egy újabb helyi, analóg választ váltanak ki (posztszinaptikus potenciál, D/A konverzió). Ez utóbbi az AP kialakítására képes membránrészre terjedve AP-sorozatot vált ki (A/D konverzió), melynek frekvenciája megegyezik a preszinaptikus AP-sorozat frekvenciájával. Ilyen módon az adekvát ingerre vonatkozó, a receptorban kódolt információ ismételt A/D és D/A konverziók révén jut az afferens pályán a felsőbb központokhoz. A lokalizáció szerinti kódolás: Minden receptor, annak primer afferense, valamint további posztszinaptikus kapcsolatai receptív mezővel jellemezhetők (9. ábra). A receptív mező a térnek az a része, amelyből származó küszöb feletti adekvát ingerek a receptorban ingerületi folyamatot váltanak ki. A receptív mező a kontakt receptorokat körülvevő tér (tapintási receptorok), míg a telereceptorok esetében ez a térnek egy a receptortól távol eső része (fotoreceptorok). A térben elosztott receptorok (pl. a bőrben lévő tapintási receptorok, vagy a retinában elhelyezkedő fotoreceptorok) valamelyikét érő inger helyét azáltal tudjuk meghatározni, hogy a receptorok térbeli elhelyezkedése, és a belőlük kiinduló ingerületi folyamatnak az agykérgi feldolgozóközpontokba történő vetülése (projekciója) bizonyos szabályszerűséget követve megfelel egymásnak. Az ingerületi folyamat terjedésének, és a jelátkapcsolás valamint -feldolgozás térbeli organizációjának az ingerelt receptorok tényleges térbeli helyzetéhez való viszonyát a topológia jellemzi. A topológia akkor megtartott, ha az átkapcsolódási pontokon (szinapszisok) a párhuzamosan futó preszinaptikus rostok nem kapcsolódnak azonos posztszinaptikus neuronra. Az egymás mellett futó pre- és posztszinaptikus axonok ugyanakkor serkentő és gátló kollaterálisaikon keresztül egymással előre- illetve visszacsatolt kapcsolatot létesítenek (pl. kollaterális vagy széli gátlás), melynek alapján lehetséges az egymáshoz térben igen közeli ingerek elkülönítése (térbeli diszkrimináció). A kollaterális gátlás úgy növeli meg a térbeli diszkriminációt (csökkenti le a posztszinaptikus receptív mezők méretét), hogy két 10
+ + 9. ábra Divergencia, konvergencia. A receptív mező akkor megtartott, ha a szenzoros információ legfeljebb csak elágazódik (divergencia), de a posztszinaptikus neuronra más neuron nem szinaptizál (konvergencia). Egy posztszinaptikus neuron egyesíti a rá konvergáló preszinaptikus neuronok receptív mezőjét (középen). 10. ábra Kollaterális gátlás. Két egymáshoz térben közeleső inger egyidejű alkalmazásakor az egymást átfedő receptív mezők miatt a primer vagy szekunder afferensek frekvenciája alapján a két inger biztosan nem különíthető el egymástól. A meglévő kismérvű különbség a gátló jellegű kollaterális kapcsolatok miatt azonban posztszinaptikusan megnő. Ez a mechanizmus kiemeli a jel kontrasztját és így megkönnyti az ingerületi mintázat valósághű feldolgozását. 11
egymáshoz térben közeli inger esetén, az ingermaximumok közé eső receptív mezőből gátolja a posztszinaptikus afferentációt (10. ábra). Az inger fajtája szerinti kódolás: Az ingerfajtára jellemző érzet kialakulását a receptor pálya központ együttesen határozza meg. A kódolás módja történhet az alábbiak szerint. Jelölt pályák (alapvető modalitások, és szubmodalitások) Mintázatok (ízérzés térbeli, hőérzés időbeli) Tulajdonság detektorok (látás) Modalitáson az inger által keltett érzet minőségét, jellegét értjük. Az alapvető modalitások kódolása ún. jelölt pályákkal történik (pályán itt a receptor pálya központ együttest kell értenünk). A jelölt pálya bármely elemének (elektromos) ingerlése mindig azonos, a pálya által kódolt érzet kialakulására vezet. Ebből adódik, hogy a jelölt pálya érzet kialakulását akkor is lehetővé teszi, ha az nem párosul tényleges inger jelenlétével (hallucináció). Ezt a kódolási formát általában jól meghatározható topológia jellemzi. Jóval összetettebb érzet kialakulását teszi lehetővé az időbeli és térbeli mintázatok alapján való kódolás. Az időbeli mintázatokkal történő kódolás esetében egy neuron többféle információt is továbbíthat aszerint, hogy a jelek időbeli mintázata milyen. A hidegreceptorok afferensein például 30 o C alatt csak spontán kisülés, míg 30 o C felett a hőmérséklet emelkedésével változó jellegű csoportos kisülések (burst) jelennek meg ezzel, és nem az átlagos kisülési frekvenciával kódolva a hőmérséklet változását. A térbeli mintázatokkal történő kódolásra példa az ízérzés. A keserű és sós íz érzetét egy hármas neuronpopuláció ingerülete hozza létre. Keserű ízt akkor érzünk, ha mindhárom, sósat, pedig ha a háromból csak kettő kerül ingerületbe. A szenzoros kódolás kifinomultabb mechanizmusait a tulajdonság-detektorokban integrált neuronok működése hozza létre. Ezek az agykéregben található neuroncsoportok, melyek akkor kerülnek ingerületi állapotba, ha összetett szenzoros bemeneti kapcsolataikon egy bizonyos komplex ingeregyüttes jelenik meg (pl. taktilis, optikai vagy akusztikus mintázatok észlelése). 12
A BŐR SZENZOROS FUNKCIÓJA A bőr testünk felületét teljes mértékben beborítja, így a külső környezetből származó ingerek első sorban a bőrt érik. A bőrt megközelítőleg egymillió idegrost innerválja. Legnagyobb részük a durva mechanikus érzékelésben játszik szerepet. Egy kicsiny, de annál fontosabb részük kódolja az alábbi finom taktilis és egyéb modalitásokat: finom mechanikus ingerek (tapintás, vibráció, nyomás) hőingerek (hideg, meleg) károsító, nociceptív ingerek (fájdalom) A mechanikus ingerek érzékelését gyorsan, és lassan adaptálódó mechanoreceptorok végzik. Felépítésük, működésük valamint a bőrben történő elhelyezkedésük alapján képesek a mechanikai ingerek sokaságából az alábbi szubmodalitások kiválasztására és kódolására. I. Táblázat Receptor Receptív mező Adaptáció Kódolt szubmodalitás Pacini-testek nagy nagyon gyors vibráció Meissner-féle testecskék kicsi gyors sebesség Merkel-féle tapintókorongok kicsi lassú lokalizáció Ruffini-testek nagy lassú időtartam és intenzitás (Gyorsan adaptálódó mechanoreceptor a szőrtüszőreceptor is.) A 6. ábrán láttuk, hogy a Pacini-test folyamatos mechanikus ingerlés ellenére igen gyorsan beszünteti ingerület-leadását, tehát adaptációja nagyon gyors. Ennek egyik oka az, hogy a receptor centrumában található csupasz, ingerlékeny idegvégződést hagymalevélszerűen egy viszonylag nagyméretű burok borítja (11/A ábra). Ha a receptort nem túl hirtelen alkalmazott, folyamatos jellegű mechanikai inger éri, akkor az energia nagy része a lemezek egymáson történő elmozdítására fordítódik, így elegendő intenzitású mechanikai energia az idegvégződést nem éri, ezért azon sem receptorpotenciál, sem akciós potenciál sorozat nem alakulhat ki (11/B ábra). Ha viszont a receptorral a mechanikai ingert kellő intenzitásban és 13
Lamellált burok Idegvégződés A Ingerlési mintázat B A lamellák átrendeződésére van kellő idő, így inger nem éri az idegvégződést Nincs afferens ingerület A lemellák átrendeződésére idő nincs, így a jelentős lokális lamelláris deformáció az inger energiáját közvetíti a receptor membránjához C Van afferens ingerület 11. ábra Egy gyorsan adaptálódó (dinamikus, fázikus) mechanoreceptor (A) válasza nem túlságosan hirtelen elkezdett és folyamatosan fenntartott (B) valamint rövid idejű és gyakran ismétlődő (C) mechanikai ingerlésre (vibráció) 14
kellően gyorsan közöljük, a lemezek a hirtelen energiabehatásra lokálisan deformálódnak, így mintegy utat engednek az energia terjedésének egészen az idegvégződésig, ahol a membrán deformációja receptorpotenciál és következményes akciós potenciál sorozat kialakulását eredményezi (11/C és 12. ábra). Mindeközben a lemezek globális pozíciója nem változik jelentősen, mivel az átrendeződésre a gyors dinamika miatt nincs lehetőség. A Pacini-test receptív mezője nagy, mert a vibrációs energia terjedése a bőr szövetében nem okoz jelentős átrendeződést, és így a receptort távolabbról is érik vibrációs hatások. A Meissner-féle testecskék tokja jóval kisebb, és ezért csak közvetlenül a receptor feletti bőrrészlet ingerlése vezet AP-leadásra. A receptor csak akkor válaszol, ha az inger időben folyamatosan változik (12. ábra), ami például ujjainknak egy érdes felületen történő futtatásakor fordul elő. Érzékelésre valójában a mechanikai inger sebessége kerül (7. ábra). A Merkel-féle tapintókorongok speciálisak abban a tekintetben, hogy a tulajdonképpeni receptor nem az idegvégződés, hanem azok az epiteliális sejtek, melyek a tapintókorongot alkotják. Ezek a sejtek szinaptizálnak a receptort innerváló idegrosttal. A receptor lassú adaptációja, felületes elhelyezkedése (13. ábra) és kis receptív mezője alkalmassá teszi a mechanikus inger (a bőr megnyomása) lokalizációjának kódolására. A Ruffini-testek folyadékkal teli kollagén tokkal körülvett idegvégződésből állnak: a tokot az idegvégződéshez (befelé) és a bőrhöz (kifelé) kollagén kötegek rögzítik. A nagy receptív mező és lassú adaptáció alkalmassá teszi a bőrt érő folyamatos mechanikai behatás (a bőr deformációja, elmozdulása, gyűrődése) mértékének kódolására mindaddig, míg az ingerhatás tart. A mechanoreceptorok bőrben való elhelyezkedése a természet logikáját követi, mely szerint a finom taktilis információt közvetítő Meissner-féle testecskék, Merkel-féle tapintókorongok és a szőrtüszőreceptorok a bőrben a lehető legfelületesebben helyezkednek el, míg a vibrációt kódoló Pacini-testek a mélyebb rétegekben találhatók (13. ábra). 15
INGERLÉSI FORMA AFFERENS AP-SOROZAT log f AP log A bőrre ható nyomás intenzitása log A bőrre ható nyomás által előidézett deformáció sebessége log A mechanikai deformáció gyorsulása, mely azonos a vibráció frekvenciájával 12. ábra A bőrt érő mechanikus ingerek érzékelésének formái. A különféle mechanoreceptorok a mechanikai inger egy-egy jellemző tulajdonságára érzékenyek. Ezért az inger által keltett jelek feldolgozása már receptorszinten elkezdődik. A feldolgozás az agykérgi szinten fejeződik be és alakul ki a mechanikai inger által keltett érzet a maga komplexitásában. (Silbernagl Despopoulos, SH atlasz Élettan, 1994, 288. oldal B ábra alapján.) SZŐRTELEN BŐR SZŐRÖS BŐR SZARURÉTEG Tapintás Érintés FELHÁM Tapintás Érintés IRHA KÖTŐSZÖVET Vibráció Merkel-sejt és -korong Meissner-féle testecske Pacini-test Szőrtüsző receptor 13. ábra A bőr mechanoreceptorainak eloszlása. A bőrben az érintésre és nyomásra érzékeny receptorok felületesen, a vibrációra érzékenyek mélyebben helyezkednek el. (Silbernagl Despopoulos, SH atlasz Élettan, 1994, 288. oldal A ábra alapján.) 16
Lassan és gyorsan adaptálódó mechanoreceptorok együttesen teszik lehetőve, hogy a bőrt érő mechanikai behatást a maga komplexitásában érzékelhessük (7. ábra). A hő érzékelését a bőrben két receptorféleség, a hideg- és melegreceptorok végzik. Ezek Aδ és C csoportba tartozó szabad idegvégződések, melyek AP-leadása statikus ingerlés esetén eltérő eloszlást mutat (14. ábra). Neutrális hőmérsékleti tartományban ezek a receptorok egyaránt spontán kisülést és teljes adaptációt mutatnak. Ezért kellemes hőmérsékleti körülmények között nem alakul ki bennünk egy folyamatos hőérzet. Ezeknek a receptoroknak a dinamikus válasza egymás tükörképei: a hőmérséklet csökkenésére a hideg receptorok válasza átmenetileg nő, a melegeké átmenetileg csökken, a hőmérséklet emelkedésére pedig fordítva (15. ábra). A neutrális tartomány alatti hőmérsékletek kódolása a hidegreceptorok burst-szerű aktivitása alapján történik, mely a temporális mintázat alapján történő érzékelés egyik példája (16. ábra). Vegyük észre (14. ábra), hogy ebben a tartományban a hideg receptorok statikus hőingerre azonos kisülési frekvenciával válaszolnak, tehát a hőmérsékletet statikus aktivitásukkal nem kódolhatják! Hőérzetünket befolyásolja a megérintett tárgyak anyagi minősége is. Azonos hőmérsékletű fém- és fa tárgy közül a fémtárgyat hidegebbnek érezzük, mert a fémtárgy a bőrből több hőt von el, és így a hőreceptorok átlagosan alacsonyabb hőmérsékletre kerülnek valamint a megérintést követő hőtranziens is nagyobb (15. és 17. ábra). A bőr hőmérséklete befolyásolja a hőérzetet azért is, mert mint láttuk (15. ábra) a hőreceptorok válasza a hőbehatásra tranziens jellegű, így a 35 o C-os hőmérsékletet hidegnek érezzük, ha bőrünk 40 o C-os, míg melegnek, ha az 30 o C-os. Hőérzetünk stabil hőhatás alatt a 18. ábrán feltüntetett módon a még károsodáshoz nem vezető hideg hőmérsékletektől (>0 o C) a már károsodáshoz vezető hőmérsékletekig (>45 o C) a hideg neutrális meleg forró majd fájdalmas átmenetek szerint alakul. A 45 49 o C közötti tartományban a hideg- és fájdalomreceptorok leadása fokozódik, ezért a forró érzet kialakulása előtt paradox hideg- és fájdalomérzés jelentkezik. A szöveti károsodással járó ún. nociceptív ingereket szintén Aδ- és C-csoportba tartozó szabad idegvégződések veszik fel. Ezek ingerülete fájdalommal jár, mely 17
Melegreceptrok Neutrális tartomány f AP Hidegreceptorok Paradox hidegérzés 20 30 40 50 o C ÁLLANDÓSULT BŐRHŐMÉRSÉKLET 14. ábra A bőr thermoreceptorainak válasza állandósult bőrhőmérsékletű hőingerekre T = 30 o C T = 33 o C Spontán kisülés! HIDEGRECEPTOR MELEGRECEPTOR 15. ábra A bőr thermoreceptorainak válasza tranziens hőingerekre. (Bullock, Boyle III, Wang, NMS Physiology, Third Edition, Fig. 5-5 alapján). T T = 34 o C T = 4 o C T = 6 o C 16. ábra Hőinger kódolása temporális mintázattal (hidegreceptorok burst-aktivitása) 18
30 o C FATÁRGY melegebbnek érezzük 30 o C FÉMTÁRGY hidegebbnek érezzük 17. ábra A hőérzet függ a megérintett tárgy anyagi minőségétől is. A bőrhőmérséklet eloszlását ú.n. izotermikus vonalakkal jelöltük. Mint látható, a fémtárgy nagyobb hőelvonása miatt a fémtárggyal érintkező bőr jobban lehűl, mint a fatárgy alatt. o C KÁROSODÁS ADAPTÁCIÓ 45 35 32 FÁJDALOM MELEG NEUTRÁLIS HIDEG 18. ábra Az állandósult hőérzet és a receptor funkcionális állapotai közötti kapcsolat 19
vitális jelentőségű, hiszen tudatosodás esetén felhívja az élőlény figyelmét a folyamatban lévő, szöveteit károsító folyamatra. A bőr nociceptorainak adekvát ingere pontosan nem ismert, de feltételezhető, hogy a fájdalmas stimulust a sejtek károsodásakor felszabadult kémiai anyagok, mint pl. hisztamin és bradykinin jelentik. A korábbi elképzelés miszerint a kiváltott fájdalom a bőrben lévő mechano- vagy kemoreceptorok túlingerlésének volna köszönhető, mára már tarthatatlanná vált. A károsító ágensek specifikus nociceptorok ingerületével váltják ki a fájdalmat. Ezeknek jellemzője, hogy szabad idegvégződések, és nincs jelátalakító burkuk (19. ábra). II. Táblázat Nociceptor Specifikus Polimodális Innerváló rost Aδ C Inger mechanikus termikus forró hideg kémiai K +, serotonin, bradykinin, hisztamin Mediáció glutamát glutamát és P-anyag Vezetés gyors (12-30 m/s) lassú (0,5-2 m/s) Lokalizáció lokalizált diffúz Mint azt az 5. ábrán láthattuk, a nociceptorok ingerülete a károsító inger intenzitásával exponenciálisan nő, melynek oka ezen receptorok szenzitizációjában, az ingerbehatásra bekövetkező érzékenyülésében keresendő. Ennek egyik mechanizmusa a 19. ábrán látható. A primer károsító inger sejtkárosodással jár, melynek folyamán az elhaló sejtből proteolítikus enzimek szabadulnak fel, melyek a keringő γ-globulinokból bradykinint hasítanak le. A bradykinin-molekulák a szabad nonciceptív idegvégződés membránjához kötődve másodlagos hírvivő mechanizmuson keresztül az idegvégződést érzékenyebbé teszik. A sejtkárosodási folyamat előrehaladtával ez a folyamat önerősítő jelleggel folytatódik (circulus vitiosus), mely magyarázza a nociceptív ingerület-leadás exponenciális fokozódását és azt, hogy kismértékű ingerintenzitás növekedés a fájdalom jelentős fokozódásával jár. 20
A szenzitizációnak egyéb mechanizmusai is vannak, melyek mediátorai különféle anyagok lehetnek (K +, szerotonin, prosztaglandinok). Régóta megfigyelt jelenség, hogy a bőrt érő különféle károsító behatás bőrpírral, a bőr duzzanatával, a bőr hőmérséklet lokális emelkedésével, valamint fájdalmasságával jár. Ezeket a tüneteket a klinikumban rubor, tumor, calor és dolor latin szavakkal jelöli. Kialakulásuk mechanizmusát sematikusan a 20. ábra szemlélteti. A károsító inger által keltett primer ingerületi folyamat az ingerlés helyétől antidrómos irányban terjed a szomszédos szabad idegvégződésekhez (axon reflex), ahol P-anyag és calcitonin gene-related peptide (CGRP) felszabadulását idézi elő. Ezek az anyagok a helyi környezet megváltozását okozzák, egyrészt azzal, hogy az erek falához diffundálva dilatálják azokat. Ennek eredménye a bőrpír (rubor) és a fokozott véráramlás miatti bőrhőmérséklet-emelkedés (calor). Ezek az anyagok megnövelik az érfal (kapilláris, venula) permeabilitását, és így fokozzák a filtráció irányú Starling-erőket azáltal, hogy előidézik a plazmafehérjék extravazációját, ami fokozza az interstícium kolloid ozmotikus nyomását. Ennek eredménye a interstíciumban a szabadvíz felszaporodása, az ödéma (tumor). 21
Nociceptív idegrost Bőr Noxa bradykinin γ-globulinok Proteolítikus enzimek Nociceptív transducer Elhaló sejt 19. ábra A bőr nociceptorok szenzitizációjának egyik mechanizmusa. (Berne and Levy, Physiology, Fourth Edition, Fig. 8-5A alapján.) Bőr Noxa Mikrocirkulációs érhálózat Nociceptív idegrost 2. P-anyag felszabadulás Nociceptív terminál 1. Akciós potenciál antidrómos érkezése 3. Fokozott mikrorcirkulációs áramlás és permeabilitás 4. Plazma extravazáció 20. ábra A bőrt érő nociceptív behatás által kiváltott klinikai tünetek ( color, rubor, dolor, calor ) kialakulásának mechanizmusa. (Berne and Levy, Physiology, Fourth Edition, Fig. 8-5B alapján.) 22
SZOMATOSZENZOROS AFFERENTÁCIÓ A receptorok által felvett ingerek a periférián a receptorokat innerváló primer neuronon frekvencia kódban jelennek meg. A kódolt jel centrifugális irányban terjed a jelfeldolgozást végző központok felé. Egy idegrost csakis egy modalitást közvetít. Az idegrostok átmérője, vezetési sebessége és az általuk innervált receptor modalitása szoros és logikus funkcionális kapcsolatban állnak (III. Táblázat ). III. Táblázat (Guyton and Hall, Textbook of Medical Physiology, Ninth Edition, Fig. 46-6 alapján.) Myelin-hüvely Myelinizált nélküli Rostátmérő (mikrométer) 20 15 10 5 1 2 0.5 Vezetési sebesség (m/s) 120 90 60 30 6 2 0.5 ÁLTALÁNOS OSZTÁLYOZÁS A C α β γ δ Izomorsó (primer) Izomorsó (szekunder) Szőrtüszőreceptor Vibráció (Pacini-test) Finom tapintás (Meissner-féle testecskék) Durva tapintás/nyomás Mély nyomás és tapintás Akut fájdalom Krónikus fájdalom Hidegérzés Melegérzés HÁTSÓ KÖTEG LEMNISCUS MEDIALIS RENDSZER ANTEROLATERÁLIS RENDSZER 23
A gerincvelő hátsó szarva, mint a primer afferentáció átkapcsolódási helye A központi idegrendszeri projekció során a jel a szinapszisokban többször átkapcsolódik, tehát egy afferens pálya több neuronból áll (elsődleges, másodlagos, harmadlagos stb. neuronok). Az átkapcsolódásra az első lehetőség a gerincvelő hátsó szarvában van (21. ábra), melynek szerkezete lamináris (Rexed-laminák). Egy-egy laminában általában azonos típusú rostok szinaptizálnak (Aδ, C, Aβ, stb.). Minden átkapcsolódás egyben a jel által kódolt információ feldolgozására ad lehetőséget azáltal, hogy a jel digitális formából (frekvenciakód) a posztszinaptikus membránon analóg formára vált. Az analóg jelek (EPSP-k vagy IPSP-k) a posztszinaptikus membránon az elektrotónusos feszültségek szabályszerűségei szerint integrálódnak, és így nagy gyorsasággal kialakul az az eredő, kimeneti jel, mely ismét digitális formában terjed tovább a következő szinapszisig. Egy neuron elágazó axonterminálisai számos kapcsolatot létesítenek a posztszinaptikus sejtekkel. Ezek között vannak olyan sejtek is az interneuronok, melyek nem az aszcendáló kapcsolat elemét képezik (tehát nem szekunder vagy tercier neuronok), hanem kollaterális kapcsolatot teremtenek az aszcendáló pálya neuronjai és az adott átkapcsolódási környezet egyéb neuronjai között. Az interneuronok által kialakuló kapcsolat lehet serkentő vagy gátló jellegű, előre- vagy visszairányuló (rekurrens). Ezek a sejtek a szenzoros információ alacsonyrendű feldolgozásának elemei, melyek modalitásspecificitást mutatnak. A gerincvelő hátsó szarvának neurokémiája igen változatos, mediátorai között szerepelnek a katecholaminok, aminosavak, szomatosztatin, P- anyag, endogén opiátok stb. Aδ C Aβ 21. ábra A gerincvelő hátsó szarvának lamináris szerkezete (Rexedlaminák). Ezekben a rétegekben találhatók egyes receptorok (hő, fájdalom, durva tapintás) másodlagos afferensei illetve nagyszámú interneuron, melyek a gerincvelői szenzoros jelfeldolgozás fontos elemei. 24