Sissejuhatus neuronitevahelisse suhtlusesse

Üldpilt

Närvirakkudel on signaale vastu võtvateks osadeks tavaliselt dendriidid, mis võtavad signaale vastu vahel 10 000lt teiselt närvirakult ning on väga harunenud selle ülesande täitmiseks. Aksoneid haruneb igast rakukehast korraga enamasti (sõltuvalt alatüübist) ainult 1 ja see tegeleb signaali edasikandmisega harunedes lõpus kergelt laiali. Suurused on eri närvirakutüüpidel juba raku diameetris üle kümnekordse erinevusega (~10-100 mikromeetrit) ja eri funktsioone/ehitusi raku enda tasemel on mitmeid. Näiteks osadel meeleelunditelt signaale transportivatel rakkudel on 2 aksonit või pigem 1 pikk akson, mille keskel lühikese kõrvalharu küljes asub rakk ise. Pisemate rakkude jätked ulatuvad kuni paari sentimeetri kaugusele, suuremate omad kuni üle poole meetri. Lisaks on aksonid ümbritsetud ajus neuronitega kõrvuti elavate gliaalrakkude elektriliselt isoleeriva müeliinikihiga, mis kiirendavad signaali levikut. Selle kihi eest vastutavad rakud varuvad ka neurotransmittereid, eemaldavad üleliigses koguses olevaid aineid ja eritavad puuduses olevat.

Neuronid kannavad elektrilisi impulsse edasi sama põhimõttega iga närviraku alarühma puhul. Suuresti seisneb asi naatriumi ja kaaliumi ioonide kontsentratsioonide muutuses raku sise ja väliskeskkonna. Rakus on kaaliumit ~20 korda rohkem kui raku ümbruses. Naatriumit on rohkem rakust väljas. Ioonide erinevus, kuid ka laenguga valgud kujundavad elektrilist potentsiaali rakumembraani külgedel, mis närvirakus on ~-70mV, ehk 70mV madalama laenguga, kui väliskeskkonnas. Elektrivool toimub takistuste puudumisel kõrgema potentsiaaliga alalt madalama potentsiaaliga alale ja aktsioonipotentsiaali puhul liigubki vool esialgu rakku ja siis välja. Ioonide kontsentratsioonide kõikumine signaali edasikandumisel tekitab seda elektrilist tegevust, mida näiteks elektroodidega mõõdetakse elektroentsephalograafia (EEG) ajal. Täpse laengu erinevuse mõõtmisel raku külgedel on kasutatud mikroskoopiliselt peeneid traate, mis rakku mahuvad.

Aktsioonipotentsiaal

Närviimpulsi e. aktsioonipotentsiaali korral avanevad korraga piisavalt paljud Na kanalid membraanis, et suurendada laengut rakus ~15 mV võrra, võrreldes puhkeolekus olnud laenguga. Kui signaal liikuma saab, siis see liigub läbi raku teise otsa välja ning signaali tugevus ise on sama, erineda võib see, kui tihedalt aktsioonipotentsiaale tekib. Maksimumiks on inimesel pakutud 1000 impulssi sekundis. Laengu muutumise tagajärjel avanevad uued Na kanalid , mis hakkavad ioone läbi laskma madalama kontsentratsiooni suunas. Na kanalid sulguvad, kui membraanipotentsiaal tõuseb ~+30 mV peale ja sealt edasi hakkab siselaeng jälle langema, sest algab kiire kaaliumi välja liikumine, kuni laeng rakus taastub puhkeseisundis olnud tasemeni. K ja Na tasemed taastatakse energiat kulutades teiste kanalite ja ioonipumpadega. Suur osa neuronitest tegelevad teiste närvirakkude aktsioonipotentsiaali lihtsustamisega või raskendamisega vastavate neurotransmitterite eritamise kaudu, aga mitte nii palju, et järgmises rakus aktsioonipotentsiaal tekiks või võimatuks saaks.

Kaltsium ja eksitotoksilisus

Aktsioonipotentsiaali ajal pääsevad rakku kaltsiumiioonid, mis kinnituvad neurotransmittereid sisaldavate vesiikulite (mulljad mahutid) pinnal olevate valkude külge ja põhjustavad nende tühjendamist sünapsi või raku ümbrusesse. Teised aineid eritavad keharakud kasutavad ka tavaliselt kaltsiumi ning neuronites toimuvaid protsesse võib enamasti leida mingil määral ka teistest rakkudest. Kaltsium on neuronites paljude eri funktsioonidega sh. mäluni välja. Ülikõrges kontsentratsioonis suudab see panna keha rakke ka enesetappu tegema, kuid see eeldab tavaliselt äärmuslikke tingimusi. Ereda valguse ja liigselt kõva muusika kahjustustes kahtlustatakse eksitoksilisust meelelundi nõrgenemises. Teine võimalus kaltsiumiliia tekkeks läbi eksitotoksilisuse on toitainepuuduse tekkel näiteks ajuinfarkti või ka lämbumise ajal. Energia puuduse tekkel ei õnnestu taastada membraanipotentsiaali ja laengust sõltuvad kaltsiumikanalid jäävad avatuks, lastes toksilises koguses Ca ioone rakku. Hapnikupuuduse lõppemisel jätkub seetõttu mõnda aega rakkude suremine. Ühe peamise surma põhjustajana tõuseb hapnikuradikaalide (vesinikperoksiid ja superoksiid) tase raku jaoks liiga kõrgele.
Wikipedia järgi on 99% kaltsiumist luudes. Rakus on selle kontsentratsioon tavaliselt 100 nanomooli, kuid võib tõusta 10-100 korda tööd tehes. Rakuvälises keskkonnas on 12 000 korda tihedam kaltsiumisisaldus ning aktsioonipotentsiaalis saavad nad kaltsiumikanalite avanemisel hoogsalt rakku liikuda. Rakus omakorda mõjutavad nad muuhulgas neurotransmittereid hoidvaid valke, mis kaltsiumi tõttu aineid vesiikuli sees rakust välja ajavad. Silma nägemisrakud sisaldavad seda 300-500 nm kontsentratsioonis ning üle 500 nm võib juba eksitotoksiliselt mõjuda. Viimane artikkel sisaldab ka wikipedia's olnud koguseid ja suurusjärke lähedaselt. Autorid keskendusid seal palju kaltsiumiioonide toimele. Kehas olevast kaltsiumist piisaks piisama kõik keha rakud apoptoosi ajada. 50-100 nm on pisike kogus arvestades rakuvälises keskkonnas olevat. Verepuudusel neuronid näiteks suremise lähenedes lasevad rohkem kaltsiumit sisse ja seda kahtlustatakse osalisena jätkuvas surmas, kuid enesetapukaskaad aktiveerus ning isegi peale 24 tundi peale verevoolutaastumist alustavad osad rakud suremist. Kahes erinevas uuringus saadi inimkeha kaltsiumisisalduseks ~1,2-1,9% kaalu järgi.
Kaltsiumi aatommass on 40 ja 1 mool kaltsiumi on 40 grammi. 80 kg inimene peaks seda sisaldama ~80-160 grammi e. 2-4 mooli. 80 kg inimese maht on umbes 80 liitri rajoonis. Kui 2-4 mooli jagada 80 liitri peale laiali siis liitris on 2/80 kuni 4/80 mooli e. 25 -50 millimooli mis seniste arvutuste järgi näitaks, et inimkehas olevast kaltsiumist piisaks et kõik rakud enesetapule ajada 25-50 korda.

Neurotransmitterid

Neurotransmitterid on ained, mis kas kontrollivad erinevaid ioonikanaleid otseselt või aktiveerivad retseptorile kinnitudes rakus olevad G valkude perekonda kuuluvaid valke. Ioonkanali tüüpi retseptorite puhul on toimet ja aktiveerimise tagajärgi palju kergem õppida, sest muud need ei tee tavaliselt, kui lihtsalt lasevad teatud ioone läbi pärast neurotransmitteriga seondumist. G valkudega retseptorite puhul vabanevad G valgud retseptori küljest ja hakkavad sisemisi muudatusi läbi viima sh. osasid ioonkanaleid avama, kuid toimeid on neil palju ja nende täpne piiritlemine jääb keeruliseks. Tegu on tõenäoliselt kõigis keharakkudes olevate ülilevinud ja tavaliste retseptoritega, mis väliskeskkonnast saadud keemiliste signaalide peale sisemisi ümberkorraldusi hakkavad tegema. Osad neist reguleerivad otseselt teisi ioonkanaleid, teised kontrollivad ainevahetuslikke protsesse (mis võivad ka mõjutada impulsside teket), kolmandad reguleerivad geeniekspressiooni ja võivad mõjutada seeläbi, kui palju uusi retseptoreid toodetakse jne. Samal neurotransmitteril võib olla vastandlikku effekti andvaid eri retseptoreid ning samuti väga erineva mõjuga retseptoreid. Omakorda tekitab segadust see, et eukarüootsete organismidena võib meil ühest geenist tekkida potentsiaalselt palju erinevaid valke/retseptoreid splaissimise tagajärjel. Teiseks koosnevad retseptorid erinevatest alaosadest, mille sünteesi muudetakse vastavalt olukorrale. Lisaks toimub osade retseptorite üle või alaaktiveerimisel vastavalt retseptorite arvu muutumine või saadavus raku pinnal, et kainusel olnud seisundile lähemale saada, sellest ka mitmed võõrutusnähud. Psühhotroopsed ained toimivad neurotransmitterite taset reguleerides või nende retseptoreid mõjutades ja vajavad selleks tavaliselt lihtsalt piisavalt sarnast ruumilist molekuli kuju ja omadusi. Neurotransmitterite retseptoritega asukohtade, toimega ja neuroanatoomiaga on peaaegu täielikult piiritletud see, mis seisundeid on üldse psühhotroopsete ainetega võimalik esile kutsuda. Farmakoloogilisel retseptorite aktiveerimisel jääb probleemiks põhiliselt see, et aktiveeritakse kõik vastavad retseptorid kehas, millele ligi pääsetakse ja psühhotroopse aine andmisel jääb hägusemaks vastava retseptori ja neurotransmitteri roll kainetes.