Aivojen rakenne ja toiminta

Risto Ilmoniemi
BioMag-laboratorio
Helsingin yliopistollinen keskussairaala

rji@biomag.helsinki.fi

 

Kurssin kotisivu: http://www.biomag.helsinki.fi/braincourse/brain.html

 

Alkulauseet

Tämä teksti sai alkunsa luentomonisteista, jotka prof. Olli V. Lounasmaa laati pitäessään vuosina 1981–1987 luentosarjaa Ihmisaivojen rakenne ja toiminta Teknillisen korkeakoulun teknillisen fysiikan laitoksella. Ryhtyessäni tämän jälleen pitämään ko. kurssia muokkasin ja laajensin tekstiä. Huomattavan panoksen tekstin kehitykseen on antanut myös LkT Jyrki Mäkelä, jonka käsialaa ovat osittain kirjan aivojen sairauksiin liittyvät osat. Mäkelä ja Lounasmaa jäivät kuitenkin vuorollaan pois tästä työläästä hankkeesta ja kirjoitustyö jäi yksinomaan minulle. Olenkin työstänyt vanhaa tekstiä ja kirjoittanut huomattavan osan siitä uudelleen, mutta alkuperäistäkin on jäljellä. Suurimman osan kuvista on piirtänyt tekn. yo. Ursula Holmström.

Osa tekstistä on edelleen keskeneräistä, eikä kaikkia kuvia ole saatu lopulliseen muotoon. Kurssin kotisivulla on linkkejä muualla tehdyille sivuille, joista voi saada tätä materiaalia täydentävää tietoa.

Esitän perustietoja aivojen rakenteesta (anatomia) ja toiminnasta (fysiologia). Teksti kirjoitettiin alunperin TKK:n fysiikan ja sähkötekniikan opiskelijoille, mm. lääketieteellisen tekniikan syventymiskohteekseen valinneille teekkareille. Niitä lukijoita varten, joilla ei ole matemaattista koulutusta, fysiikan ja kemian perusteita pyritään käsittelemään tarvittavin osin.

Neurotiede on hyvin laaja tieteenhaara, ja voinkin antaa siitä vain omista kiinnostuksistani lähtevän, rajoitetun kuvan. Keskityn ihmiseen; eläinkunnan aivoja tarkastellaan sikäli kuin niillä on merkitystä ihmisaivojen ymmärtämisen kannalta. Sairaita aivoja käsiteltäessä rajoitun sellaisiin tuntemiini tapauksiin, jotka valaisevat terveiden aivojen toimintaa. Tästäkin aiheesta löytyy paljon hyvää tietoa kotisivun linkkien välityksellä.

Fyysikon näkemykselle aivoista on kaksi lähtökohtaa. Toisaalta koostumme atomeista ja molekyyleistä, jotka noudattavat fysiikan lakeja siinä missä muukin luonto, toisaalta aivot ovat informaatiota käsittelevä viesti- ja muistijärjestelmä. Voitaisiin sanoa, että edellinen lähtökohta on anatomis—fysiologinen, jälkimmäinen psykologinen tai informaatioteoreettinen. Tässä kirjassa painotetaan luonnontieteellistä ajattelutapaa ottaen huomioon mainitut lähtökohdat; aivoja tarkastellaan pitäen mielessä fysiikan tunnetut periaatteet. Pyrin kuitenkin kuromaan umpeen terminologian ja ajattelutapojen eroista johtuvaa kuilua eri koulutustaustojen välillä.

Kovin syvällisiin filosofisiin tarkasteluihin en voi tässä ryhtyä – totean vain aivojen poikkeuksellisen mielenkiinnon tässäkin suhteessa.

Vielä yksi oleellinen seikka: En pyri enkä pysty rakentamaan valmista oppirakennelmaa kurssin aihepiiristä. Neurotiede on hyvin laaja tieteenala eikä sillä ole yhtenäistä lähestymistapaa. Aivoista tiedetään valtavasti, mutta toisaalta niiden informaationkäsittelyn toimintaperiaatteet tunnetaan puutteellisesti. Lukija joutuukin itse luomaan lähestymistapansa, etsimään ja valitsemaan tietoa. Internet on tässä luonnollisesti oiva väline.

Johdanto

Aivot ottavat vastaan, varastoivat, käsittelevät ja tuottavat informaatiota – ja tietävät tekevänsä niin. Ihmisaivoissa tähän työhön on valjastettu noin 100 miljardia hermosolua, jotka muodostavat tiettävästi yhtenäisen verkon. Hermosoluilla eli neuroneilla on seuraavia tehtäviä: 1) ottaa vastaan muista soluista tulevia impulsseja ja "laskea" oma signaali eli muihin neuroneihin lähetettävä viesti sisään tulevan informaation funktiona, 2) toimia itsenäisinä värähtelijöinä, ja 3) varastoida tietoa säätämällä solujen välisten kytkentöjen voimakkuuksia ja solun sisäistä tilaa vastaanotettujen signaalien mukaan. Neuronien lisäksi aivoissa on suuri määrä tuki- eli gliasoluja sekä muita apurakenteita kuten kalvostoja, nestetiloja ja verisuonia

Aivoilla on sekä aistinsolujen että lihaksia ohjaavien (motoristen) solujen muodostama kytkentäpinta ulkomaailmaan. Vaikutuksia voi toki tulla suoraankin, mm. hormonien välityksellä sekä lääkeaineista ja alkoholista, mutta tällaiset efektit ovat yleensä hitaita. Kytkentäpinta käsittää joitakin miljoonia soluja, eli noin joka kymmenestuhannes neuroni on suorassa yhteydessä ulkomaailmaan. Aivot ovat siis fysikaalisesti melko löyhässä kontaktissa ympäristöönsä, joten ne voivat toimia normaaliin tapaan pitkiäkin aikoja ilman ulkoista informaation syöttöä. Aivoja koskevien teorioiden on tästä syystä pystyttävä selittämään ne myös erillisenä yksikkönä eikä pelkästään ympäristönsä osana. Aivojen kehitystä taas ei voi ymmärtää ilman kytkentää ulkomaailmaan.

Tutkimuskohteena aivot ovat siinä mielessä poikkeukselliset, että voidaan sanoa tutkijan olevan sama kuin tutkittava. Juuri aivot ovat älymme fyysinen perusta ja on tavallaan erikoista, että järjestelmä pyrkii tutkimaan itseään. Jotkut ovat filosofoineet, että on mahdotonta saada kattavaa tietoa aivojen toiminnasta sen takia, että tutkija ja tutkittava ovat yksi ja sama (Kuva 1). Ongelmasta päästään kuitenkin rajoittumalla tutkimaan oman pään sijasta toisten ihmisten aivoja! Tästä huolimatta ei ole lainkaan varmaa, missä määrin voimme selvittää aivojen toiminnan.


Aivotutkimus poikkeaa muista luonnontieteistä siinä, että kohteella on tietoisuus. Monet eivät kiinnitä asiaan paljoakaan huomiota, sillä tietoisuuden käsite on vaikea määritellä ja sitä ei ole kunnolla pystytty yhdistämään luonnontieteelliseen maailmankuvaamme. Emme tässä kurssissa juuri puutukaan käsitteisiin tietoisuus, itsetietoisuus, mieli tai sielu. Lienee kuitenkin selvää, että juuri aivot ovat se elin, jossa tietoisuuden ilmiöt esiintyvät. Tämä seikka antaa neurotieteille lisämielenkiintoa: emme tutki kuollutta luontoa emmekä tyydy mihin tahansa elävään materiaan, vaan tutkimme ainetta, joka ajattelee ja tietää ajattelevansa.

Vaikka aivot ovat ylivoimaisesti tehokkain ja suorituskykyisin informaatiota käsittelevä ihmisen elin, ne eivät suinkaan ole tässä mielessä ainoat: tavallaan kaikki fysikaaliset systeemit, jotka reagoivat ulkoisiin vaikutuksiin, käsittelevät informaatiota. Esimerkiksi kehon immuunijärjestelmä välittää tiedon uhkaavasta vaarasta ja saattaa elimistön vastahyökkäykseen. Aivot toimivat myös umpieritysrauhasena, mutta niiden tärkein tehtävä on informaation käsittely ja varastointi.

Aivojen ymmärtämiseksi niitä on tarpeen tarkastella varsin laajalla mittakaava-alueella (Kuva 2). Molekyylitason ilmiöt ovat keskeisiä solunsisäisessä toiminnassa kuten geneettisen perimän välittämisessä, aineenvaihdunnassa, aineiden solunsisäisessä kuljetuksessa ja solukalvon ilmiöissä. Hormonien ja lääkeaineiden vaikutuksia voidaan ymmärtää molekyylibiologian ja solukalvon tasolla. Halkaisijaltaan mikrometrien suuruusluokkaa olevat hermosolut taas ovat signaalinvälityksen ja tiedonkäsittelyn perusyksikköjä. Aivokuorella solut ovat järjestyneet alle millimetrin paksuisiksi pylväiksi (columns), jotka ovat aivojen informaationkäsittelyn prosessoreita. Koko neljännesneliömetrin laajuinen aivokuori taas koostuu kymmenistä toiminnallisesti erikoistuneista alueista. Aivojen mittakaavasta on mentävä vielä ylöspäin: koska aivojen toiminta riippuu oleellisesti vuorovaikuksesta ympäristön kanssa, on vielä otettava huomioon psykologinen ja sosiologinen taso.

On syytä kiinnittää huomiota myös siihen, että aivojen eri toiminnot ilmenevät niille tyypillisillä aikaskaaloilla lähtien atomi- ja molekyylitason femto- tai pikosekunneista ja ulottuen ainakin evoluution tasolle.

Aikaskaala [s]

Ilmiö

1018

universumi

1016

evoluutio

1010

yhteiskunta

109

yksilö

102

tunnetilat

1 s

ajatus

10—1

PSP

10—3

hermoimpulssi

10—12

molekyylit

10—15

näkyvä valo

Aivotutkimuksen merkitys

Aivojen sairauksista kärsii useita prosentteja ihmisistä. On siis kysymys sadoista miljoonista henkilöistä, joita parempi aivojen ja niiden sairauksien ymmärtäminen voisi auttaa. Merkittävimpiä aivoperäisiä ongelmia aiheuttavat vanhenevassa väestössämme yleistyvä Alzheimerin tauti, Parkinsonin tauti, aivoinfarktit, epilepsia, pesäkekovettumatauti (MS-tauti, multippeliskleroosi), kehityshäiriöt, aivokasvaimet, tapaturmat sekä mielisairaudet kuten skitsofrenia, depressio ja psykoosit. Kärsimysten lisäksi aivosairaudet aiheuttavat tuhansien miljardien markkojen suuruusluokkaa olevat kustannukset joka vuosi.

Yhteiskunnan panostus aivotutkimukseen on monessa maassa mittava, mutta sen tuotto on myös suuri. Mikäli tutkimus auttaa vähentämään kärsimyksiä ja yhteiskunnalle koituvia kustannuksia edes muutamalla prosentilla, on se taloudellisesti erittäin kannattavaa.

Kliinisen hyödyn lisäksi aivotutkimus antaa tietoa siitä, keitä me oikein olemme, miten toimimme ja miten olemme kehittyneet. Kysymys aivojen toimintaperiaatteista on yksi luonnontieteen keskeisimmistä ja tärkeimmistä ratkaisemattomista arvoituksista. Koko inhimillinen elämä riippuu aivojen toiminnasta. Aivotutkimus on intellektuaalisesti erittäin haastavaa ja se onkin vetänyt puoleensa monia hyvin lahjakkaita tutkijoita, mutta nopeasta ja kauan jatkuneesta neurotieteen kehityksestä huolimatta lopullinen vastaus siihen, miten aivot käsittelevät informaatiota ja tekevät päätöksiä, ei näytä olevan vielä näköpiirissä. Sen sijaan monia yksityiskohtia on selvitetty jopa hämmästyttävällä tarkkuudella ja osakokonaisuuksia on opittu ymmärtämään. Aivoista on myös otettu oppia rakennettaessa keinotekoisia hermoverkkoja, joiden teoria on taas antanut useita periaatteellisia selityksiä aivojen toiminnoille, mm. piirretunnistimille, itseorganisoitumiselle ja muistille.

Aivotutkimuksen nykytila

Aivotutkimuksesta on parin viimeisen vuosikymmenen aikana tullut yksi tärkeimmistä tieteenaloista. Suurimmassa alan vuotuisessa konferenssissa (Annual Meeting of the Society for Neuroscience) esitetään tätänykyä reilusti yli 10000 tutkimusraporttia neurotieteen eri osa-aloilta. Lisäksi on paljon ihmisiä, jotka toimivat aivotutkimuksen lähialoilla kuten aistifysiologiassa, lingvistiikassa, hermoverkkotutkimuksessa, tekoälyn kehitystyössä ym. Neurotieteiden merkitys on oivallettu korkeallakin tasolla: Yhdysvaltain presidentti George Bush julisti 90-luvun aivojen vuosikymmeneksi (Decade of the Brain). Monet ovat sittemmin panneet paremmaksi ehdottamalla, että 2000-lukua kutsuttaisiin aivojen vuosituhanneksi. Ehdotus on perusteltu siinä mielessä, että aivotutkimus on alkaneen vuosituhannen tärkeimpiä ja haastavampia tutkimusaloja. Emme voi kuitenkaan yleensä kovin hyvin ennakoida tieteen kehitystä 10—20 vuotta pidemmälle.

Aivotutkimuksen virstanpylväitä ovat olleet hermosoluverkon perusrakenteen selvittäminen 1900-luvun alussa, solukalvon dynamiikan ymmärtäminen, synaptisen signaalivälityksen selvitys, välittäjäaineiden löytäminen ja niiden vaikutusmekanismien ymmärtäminen sekä aivojen eri osien toiminnallisen jaon ja keskinäisten yhteyksien selvittäminen. 80-luvun suurimpia saavutuksia ovat olleet joidenkin aivosairauksien perinnöllisyyden osoittaminen, uusien välittäjäaineiden löytyminen ja niiden toiminnan selvittäminen sekä kasvutekijöiden merkityksen ymmärtäminen. 90-luvulla on nähty erittäin nopeaa kehitystä mm. ihmisaivojen kuvausmenetelmien alalla. Uudella vuosituhannella selvitetään solun molekyläärisen koneiston toimintaa ja säätelyä. Yhä useamman aivotaudin geneettistä perustaa ja riippuvuutta ympäristön vaikutuksista selvitetään. Oppimisen mekanismeja selvitetään ja niiden ymmärtäminen auttaa kehittämään erityisesti kehityshäiriöisten lasten erityisopetukseen käytettäviä menetelmiä. Lääkehoito ja terapiamenetelmät kehittyvät. Informaationkäsittelyn salaisuuksia pyritään paljastamaan. Ihmisaivojen kuvausmenetelmät kehittyvät entistä nerokkaammiksi. Mitään rajaa tässä kehityksessä ei ole näkyvissä, sillä vaikka ymmärtäisimmekin aivot riittävällä tarkkuudella ja vaikka aivosairaudet voitettaisiin, emme koskaan voine tulla täydellisiksi. Aivot eivät ole staattinen systeemi, vaan kaikki inhimillinen toiminta (joka perustuu aivoihin) vaikuttaa aivoihin ja muuttaa niitä. Aivojen ja keinotekoisten informaatiojärjestelmien vuorovaikutus voi todellakin vielä mullistaa maailman. Tähän kehitykseen liittyvät eettiset ongelmat ja mahdollisuudet on myös syytä ottaa huomioon, kun pohditaan tulevaisuuden visioita.

Määritelmiä

Yksi vaikeus aivotietouden opiskelussa on laaja terminologia, joka on syytä oppia äidinkielen lisäksi ainakin englanniksi ja osittain latinaksi. Seuraavassa määritellään joitakin keskeisiä käsitteitä.

Hermosto: Monisoluisten eläinten koordinoiva mekanismi, joka säätää kehon sisäisiä toimintoja ja reagoi ulkoisiin ärsykkeisiin. Osat: keskushermosto (central nervous system, CNS) ja ääreishermosto (peripheral nervous system).

Keskushermosto: Selkärangallisen hermoston se osa, johon kuuluvat aivot (encephalon) ja selkäydin (spinal cord, medulla spinalis).

Aivojen osat: isot aivot (cerebrum), pikkuaivot (cerebellum), aivorunko (brain stem, truncus cerebri).

Isot aivot koostuvat kahdesta aivopuoliskosta, jotka puolestaan jaetaan neljään lohkoon: otsalohko (frontal lobe, lobus frontalis), päälaenlohko (parietal lobe, lobus parietalis), takaraivolohko (occipital lobe, lobus occipitalis), ohimolohko (temporal lobe, lobus temporalis).

Aivorungon osat: väliaivot (diencephalon), keskiaivot (midbrain, mesencephalon), aivosilta (pons) ja ydinjatkos (medulla oblongata).

Somaattinen hermosto: Efferentit (vievät) hermosäikeet, jotka kuljettavat käskyjä aivoista tahdonalaisiin lihaksiin ja afferentit (tuovat) hermosäikeet, jotka kuljettavat tietoa lihaksista ja tuntoelimistä aivoihin.

Autonominen hermosto: Efferentit hermot, jotka eivät kuulu somaattiseen hermostoon. Tahdosta riippumaton. Jakautuu sympaattiseen ja parasympaattiseen hermostoon, joista edellinen lähinnä aktivoi sisäelimistöä, jälkimmäinen taas saattaa sen lepotilaan.

Aivojen pääosat

Keskushermosto, johon kuuluvat isot aivot, pikkuaivot, aivorunko ja selkäydin (Kuva 3), saa aisti-informaatiota ääreis- eli periferisestä hermostosta. Käskyt lihaksille ja umpieritysrauhasille välittyvät myös ääreishermoja pitkin. Vasen aivopuolisko säätelee ruumiin oikean puolen toimintoja ja päinvastoin. Selitykseksi on tarjottu sitä, että aivojen kehittyessä evoluution kuluessa näköjärjestelmä on dominoinut hermoston yhteyksien kehittymistä ja koska silmän linssi muodostaa oikean näkökentän kuvan vasemmalle puolelle verkkokalvoa ja päinvastoin, on luontevaa, että myös muut aistitoiminnot ja motoriset funktiot olisivat sitten omaksuneet saman jaon vasemman ja oikean välille.

Pikkuaivoilla on keskeinen rooli opittujen liikesarjojen suorittamisessa. Motorisiin toimintasarjoihin ja myös aivojen muun informaatioprosessoinnin ajalliseen koordinointiin liittyen myös tarkka aikaviiveiden ohjaus näyttää vaativan pikkuaivojen toimintakykyä. Pikkuaivot littyvät aivorungon takaosaan pikkuaivovarsien (pedunculus cerebelli) välityksillä.

 

Aivorunko sisältää motorisia ja sensorisia hermoratoja sekä yhteyksiä aivojen eri osien välillä ja lisäksi monia hermosolurykelmiä (tumakkeita), jotka säätelevät mm. joitakin tiedostamattomia elintoimintoja kuten hengitystä. Aivorungossa ovat ylhäältä lähtien väliaivot (diencephalon), keskiaivot (mesencephalon, midbrain), aivosilta (pons) ja ydinjatkos (medulla oblongata). Väliaivoissa ovat mm. hormonitoimintaa ohjaava hypotalamus sekä talamus, jonka solujen kautta aistien lähettämät viestit, hajusignaaleja lukuunottamatta, välittyvät aivokuorelle.

Selkäydin sisältää ennen kaikkea hermoratoja lihaksien ohjaamista ja tuntoaistimuksien välittämistä varten, mutta sen neuronit hoitavat myös automaattisia refleksireaktioita ja ohjaavat joitakin automaattisia toimintoja kuten kävelyn säätelyä.

Aivot kelluvat aivo—selkäydinnesteessä (cerebrospinal fluid), joka suojaa niiden hentoja rakenteita tärähdyksiltä sekä toimii kemiallisena puskurina ja siten aivojen sisätilan olosuhteiden vakioijana. Aikuisen aivot painavat keskimäärin noin 1,3 kg, joskin eri ihmisten välillä on huomattavia eroja. Miesten aivot painavat keskimäärin hieman enemmän kuin naisten aivot, vaikka vertailtaisiin samankokoisia yksilöitä. Aivojen painoissa on myös rodullisia eroja. Painon arvellaan kuitenkin vain vähäisessä määrin selittävän ihmisen ominaisuuksia kuten älykkyyttä (Science 1991). Sukupuolten välillä on havaittu eroja energia-aineenvaihdunnan jakautumisessa aivopuoliskojen välillä kielellisissä tehtävissä; myös aivopuoliskojen välisissä yhteyksissä näyttää olevan eroja.

Aivopuoliskot

Kaksi aivopuoliskoa (hemispheres) käsittävät isot aivot koostuvat aivokuoresta (cortex), valkeasta aineesta aivokuoren sisäpuolella sekä tyvitumakkeista (basal ganglia). Basaaligangliot ovat hermosolujen kasaumia, joilla on yhteyksiä liikettä ohjaaviin aivokuoren alueisiin sekä pikkuaivoihin. Valkea aine koostuu pääasiassa aivoon tulevista ja sieltä lähtevistä sekä aivokuoren eri osien välisistä aksonikimpuista, joiden myeliinitupet antavat valkealle aineelle värinsä.

Aivokuori jaetaan neljään lohkoon kummallakin aivopuoliskolla (Kuva 4). Etummaisena on otsalohko (frontal lobe, lobus frontalis). Sen takana on päälaenlohko (lobus parietalis); väliin jäävä uurre on keskusvako (central sulcus, sulcus centralis). Sivuvaon (Sylvian fissure, fissura lateralis eli sulcus Sylvii) alapuolella oleva osa aivokuorta on ohimolohko (temporal lobe, lobus temporalis). Takaraivolohko (occipital lobe, lobus occipitalis) on taas nimensä mukaisesti aivojen takaosassa.

Aivokuori näyttää pinnallisesti melko samanlaiselta kaikkialta, mutta solutyyppien jakauman, aivokuoren kerrosrakenteen, metabolian, yhteyksien sekä toiminnallisten erojen vuoksi kukin lohko on jaettu lukuisiin ns. alueisiin. Saksalainen Brodmann numeroi alueet siinä järjestyksessä kun hän uusia histologisia kudosrakenteita löysi (Kuva 5). Erilaisen rakenteen omaavat alueet toimivat myös eri tehtävissä.

Aivokuoren yhteydet

Aivokuoren eri alueet ja alueiden osat ovat kytkeytyneet toisiinsa assosiaatiosyiksi kutsuttujen valkean aineen aksonikimppujen välityksellä. Aivopuoliskojen välisiä yhteyksiä kutsutaan kommissuraalisyiksi. Kommissuraalisyiden pari miljoonaa aksonia muodostaa aivokurkiaisen (corpus callosum), joka on suurin aivopuoliskojen välinen tiedonsiirtoväylä. Aisteista tulevat (afferentit) viestit (hajusignaaleja lukuunottamatta) välittyvät talamuksen kautta; talamuksen ja korteksin yhteydet ovat kaksisuuntaiset, ts. aivokuorelta on voimakas takaisinkytkentä talamukseen. Suurin hermosäiekimppu talamuksesta aivokuorelle on optinen radiaatio (optic radiation) ulommasta polvitumakkeesta näköaivokuorelle. Motoriset (efferentit) viestit taas välittyvät pitkin capsula internaa aivokuorelta aivorunkoon. Tämä vahva hermosäiekimppu menee talamuksen ja tyvitumakkeiden välistä.

Hermoradat

Keskushermosto on sekä vasemmalta että oikealta puoleltaan yhteydessä ulkomaailmaan 12 aivohermon (cranial nerves) ja 31 selkäydinhermon (spinal nerves) kautta. Aivohermot ovat yhteydessä pään seudun aisteihin ja lihaksiin. Selkäydinhermot palvelevat muuta osaa kehosta. Niiden kautta saapuvat afferentit hermoradat menevät ensin talamukseen ja sieltä aivokuorelle. Kuva 6 esittää tuntoaistimuksen kulkurataa takajuurten (dorsal root) kautta selkäytimeen, jossa selänpuoleiset hermoradat (dorsal columns) vievät selkäytimen yläpäässä oleviin tumakkeisiin, joista signaalit etenevät lemniscus medialista pitkin talamuksen vastakkaiseen puoliskoon ja sieltä edelleen tuntoaivokuorelle (alueet 1, 2 ja 3).

 

Silmän verkkokalvon gangliosolujen aksonit muodostavat näköhermon (optic nerve), jonka nenänpuoleiset hermosyyt risteävät näköhermonristissä (optic chiasm, chiasma opticum). Tämän tuloksena kummankin silmän verkkokalvon oikea puoli kuvautuu oikeaan aivopuoliskoon ja vasen puolisko vasempaan aivopuoliskoon (Kuva 7). Tämä merkitsee sitä, että näkökentän kumpikin puolisko kuvautuu vastakkaiselle aivopuoliskolle. Risteämiskohdassa näköhermo muuttuu näköjuosteeksi (tractus opticus), joka johtaa talamuksen ulompaan polvitumakkeeseen. Polvitumakkeesta visuaaliset signaalit jatkavat näköaivokuorelle optinen radiaatio -nimistä hermoratakimppua pitkin.

Ääniaallot etenevät kuuloluitse sisäkorvan simpukkaan, jossa ne aktivoivat karvasoluja. Karvasolut vuorostaan aktivoivat kuulohermon bipolaarisolujen reseptoreita; syntyneet signaalit välittyvät (Kuva 8) ydinjatkoksessa sijaitseviin simpukkatumakkeisiin (cochlear nuclei). Tämän jälkeen rata haarautuu. Suorin reitti ristitsee toiselle puolelle päätä ja kulkee alemman nelikukkulan (inferior colliculus) kautta talamuksen sisempään polvitumakkeeseen ja sieltä kuuloaivokuorelle. Väliaivoissa on myös muita tumakkeita, joilla on tehtäviä esim. suuntakuulossa. Lisäksi yhteyksiä menee talamuksen muiden tumakkeiden kautta korteksin assosiaatioalueille.

Sitä osaa aivokuoresta, johon aistininformaatio ensisijaisesti (primäärisesti) tulee, kutsutaan primääriseksi aivokuoreksi. Primäärinen alue lähettää signaalit muokattuna läheisille, usein sekundäärisiksi aivokuorialueiksi kutsutuille alueille ohjate eri alueille erilaista informaatiota. Esim. primäärinen näköaivokuori (V1 eli alue 17; kts. kuva 5) lähettää väri-informaatiota alueelle V4 ja liikeinformaatiota alueelle V5. Järjestelmä on vahvasti rinnakkainen; aistimuksen eri aspekteja käsitellään samanaikaisesti eri aivojen alueilla, joskin alueiden välillä on runsaasti yhteyksiä.

Aivokuoren sisäiset yhteydet

Aivoleikkausten yhteydessä on joskus tarpeen ärsyttää valveilla olevan potilaan korteksia sähköisesti tärkeiden alueiden kartoittamiseksi. Näin on avautunut mahdollisuus tutkia suoraan korteksin toimintaa. Ärsyttäminen on kivutonta eikä potilas monesti havaitse mitään. Tämä voi johtua siitä, että keinotekoinen ärsytys saa aikaan sellaisen epäspesifisen aktiviteetin, jolla ei tietoista vastinetta. Kuitenkin sähköisku tuntoaivokuorelle (Kuva 9) aiheuttaa yleensä aistimuksen, samoin on asianlaita myös muilla primääri- ja myös korkeammilla sensorisilla aivoalueilla. Primääriset ja sekundääriset alueet antavat viestejä assosiatiivisille aivoalueille, jotka ihmisellä ovat muihin lajeihin verrattuna erittäin suuret. Niitä stimuloitaessa potilas saattaa kokea hyvinkin monimutkaisia asioita ja esim. palauttaa mieleen jonkin vanhan muistikuvan. Aivokuoren stimulointia leikkausten yhteydessä jo 1940-luvulla tutkinut Wilder Penfield on kuvannut töitään kirjassa The mystery of the mind. Näissä tutkimuksissa selvisi mm. tunto- ja somatosensorisen aivokuoren topografinen järjestys.

Yhteenvetona voidaan todeta, että aisti-informaatio ohjautuu ensin suurimmaksi osaksi primääriaivokuorelle, jossa aistinkenttä on yleensä topologisesti järjestynyt. Aistikenttä (näkökenttä, taajuusalue, ihon pinta) on aivokuorella siten edustettuna, että tärkeimmät osat saavat suhteellisesti suuremman edustuksen kuin vähemmän tärkeät. Niinpä esim. sormilla ja huulilla on suuri alue edustettuna tuntoaivokuorella ja verkkokalvon tarkan näkemisen kohdalla (fovea) on suuri edustus näköaivokuorella. Primäärialueilta muokattu informaatio siirtyy viereisille alueille jatkokäsittelyä varten. Oleellista on myös, että primäärialueet lähettävät runsaasti takaisinkytkentäsignaaleja talamukseen ja korkeammat alueet takaisin primäärialueille. Kun informaationkäsittely on vielä vahvasti rinnakkaista, mistään puhtaasti hierarkisesta struktuurista ei ole kysymys.

Aisti-informaation tulkinta vaatii aina muistitietoa. Valintoihin ja motoriseen reaktioon johtavat prossessit hoidetaan lähinnä päälaen- ja otsalohkojen assosiatiivisilla alueilla; koko monimutkainen hahmontunnistus, muistikuviin vertailu, päätöksenteko ja motorinen reaktio tehdään yleensä sekunnin murto-osassa. Koska tässä ajassa ehditään suorittamaan vain noin kymmenen sekventiaalista operaatiota, on selvää, että kyse on massiivisesta rinnakkaisprosessoinnista.

Aivokuoren joidenkin alueiden sijainti ilmenee kuvasta 9.

Aivojen muita osia

Pikkuaivot koostuvat kahdesta voimakkaasti poimuttuneesta puoliskosta. Kuten on asianlaita isoissa aivoissa, myös pikkuaivokuoren (cerebellar cortex, cortex cerebelli, Kuva 10) sisäpuolella on myelinisoitujen aksonien muodostamaa valkeaa ainetta. Pikkuaivokuori on kauttaaltaan samanlainen, joten sen eri alueet luultavasti käsittelevät saamansa tiedon samalla tavalla. Pikkuaivot säätelevät lihasliikkeitä, liikesarjoja (esim. polkupyörällä ajo) sekä liikkeiden ajoitusta yhdessä tyvitumakkeiden ja liikeaivokuoren kanssa. Ne ovat tärkeät myös tasapainon säilymisen kannalta.

 

Keskushermostoa ympäröi tiivis kalvosto. Aivokalvojen ja hermokudoksen välissä on aivo—selkäydinnestettä (cerebrospinal fluid = CSF, liquor cerebrospinalis), jota valmistuu aivokammioiden seinämissä. Aivot kelluvat tässä nesteessä ja neste muodostaa hermosoluille optimaalisen toimintaympäristön, jota aktiiviset mekanismit pyrkivät pitämään vakaana.

Veri saapuu aivoihin molemminpuolisia kaulavaltimoita (carotid artery, arteria carotis) ja niskassa kulkevia nikamavaltimoita (vertebral artery, a. vertebralis) pitkin. Nämä neljä valtimoa muodostavat aivojen pohjassa verisuonirenkaan (circle of Willis, circulus Willisii 1500-luvulla eläneen brittianatomin mukaan), josta nousee molemmin puolin kolme aivojen päävaltimoa (a. cerebri anterior, a. cerebri media ja a. cerebri posterior). Mikäli kaula- tai nikamavaltimo ahtautuu hitaasti, elimistö pystyy yleensä korvaamaan aivojen verenpuutteen tämän suonirenkaan avulla; äkillinen tukos aiheuttaa kuitenkin ainakin ohimeneviä oireita.

 

Kun kudosta vaurioituu aivovaltimoiden tukkeutuessa hapenpuutteen takia, puhutaan aivoinfarktista. Verisuonen ratketessa taas syntyy aivoverenvuoto joko aivojen sisään (intrakerebraalivuoto) tai lukinkalvon alle (subaraknoidaalivuoto). Vuodon tai infarktin paikka ja laajuus ratkaisevat, minkälaisia oireita potilaalla on. Pahimmassa tapauksessa aivoinfarkti johtaa nopeaan kuolemaan. Aivojen laskimot (sinukset) kulkevat lähellä kalloa ja veri palaa niistä yläonttolaskimon kautta sydämeen.

TERMINOLOGIAA

Aivopuoliskojen symmetriatasoa kutsutaan midsagittaali- eli keskitasoksi (midsagittal), muita sen suuntaisia sagittaalitasoiksi (Kuva 11). Otsan suuntaiset tasot ovat frontaali- (frontal, transverse, coronal) ja vaakasuorat horisontaalitasoja. Suunta keskitasoon päin on mediaalinen (medial), siitä poispäin lateraalinen (lateral). Edelleen:

superior = ylöspäin, yläpuolinen

inferior = alaspäin, alemman puoleinen

rostral = nenänpuoleinen (rostrum = kuono)

caudal = hännänpuoleinen (cauda = häntä).

ventral = vatsanpuoleinen

dorsal = selänpuoleinen

anterior = edessä sijaitseva

posterior = takana sijaitseva

proksimaalinen = lähellä aivoja

distaalinen = kaukana keskushermostosta


Kuvassa 12 on nimetty joitakin isoaivojen poimuja (gyri, yksikössä gyrus = convolution) ja uurteita (sulci, yks. sulcus = fissure). Sulcus-termiä käytetään yleensä pienistä uurteista, fissuura (vako) tarkoittaa tavallisesti suurempia uurteita.

Solut

Ihmisen solujen lukumääräksi arvioidaan 1014. Keskikokoisen solun tilavuus, noin 10—15 m3, on sama kuin kuutiolla, jonka särmä on millimetrin sadasosa. Solun sisällä on solulimaa eli sytoplasmaa, jossa on tuma sekä erilaisia organelleja, tukirakenteita ja aineiden kuljetuksessa tarvittavia säikeitä. Solu on kemiallinen tehdas, joka valmistaa valkuaisaineita DNA:n sisältämän informaation mukaan sekä muita aineita entsyymiohjattujen reaktioiden avulla. Noin 80% solujen massasta on vettä, 16% valkuaisaineita eli proteiineja, 2% rasva-aineita eli lipidejä ja loppu hiilihydraatteja ja nukleiinihappoja. Munasolu on läpimitaltaan 100 mm, kun taas veren punasolun halkaisija on vain noin 8 mm. Pisimmät hermosolujen aksonit ovat yli metrin mittaisia, mutta tilavuudeltaan neuronit eivät ole kovinkaan suuria. Neuronien lisäksi hermokudos sisältää ainakin kymmenkertaisen määrän tuki- eli gliasoluja.

Solukalvo

Solua rajoittaa noin 10 nm:n paksuinen fosfolipidien kaksoiskerros (Kuva 13), jossa fosfolipidien vettä hyljeksivät (hydrofobiset) rasvahappohännät ovat kohdistuneet toisiaan vastaan solukalvon keskustassa, kun taas hydrofiiliset sähköisesti varautuneet päät suuntautuvat solukalvosta ulospäin. Kalvo erottaa toisistaan kaksi koostumukseltaan sangen erilaista nestetilaa, nimittäin soluliman ja solujen välisen kudosnesteen.

 

Solukalvon erityisominaisuudet johtuvat sen sisältämistä valkuaisainemolekyyleistä, jotka voivat tunkeutua osittain tai kokonaan kalvon läpi. Solukalvossa olevat kemialliset järjestelmät toimivat pumppuina, jotka siirtävät kalvon läpi erilaisia ioneja ja muita pienimolekyylisiä yhdisteitä "vastavirtaan" eli pienemmästä pitoisuudesta suurempaan. Tärkeimpänä voidaan pitää natrium—kalium-pumppua (Kuva 14).

Solun energiatalous

Soluille kuten koko elimistölle on ominaista aineen ja energian jatkuva virta. Vaikka yksilö kokonaisuutena ja hänen kehonsa osat erikseen säilyvät koko elämän ajan, kokonaisuuden osat vaihtuvat uusiin niin, että suurin osa atomeistamme korvautuu aika ajoin uusilla. Ihminen on kuin vesiputous: yksilö säilyttää identiteettinsä, vaikka atomit ja molekyylit vaihtuvat jatkuvasti. Keskeisellä sijalla tässä prosessissa ovat solut ja niissä tapahtuvat kemialliset reaktiot.

Solut kokoavat pienemmistä molekyyleistä entsyymien avulla ja suoraan geneettisen koodin ohjaamana proteiineja, lipidejä, nukleiinihappoja ja muita yhdisteitä. Uutta materiaalia saadaan ravinnon ja hengityksen kautta; vanha poistuu kuona-aineina. Tämä biosynteesi ei rajoitu kasvuvaiheeseen vaan jatkuu koko elämän ajan. Useimpien suurmolekyylien elinikä ennen niiden hajoamista on vain muutamia päiviä tai viikkoja; tilalle syntetisoidaan uusia koko ajan, jotta solun rakenne ja kemiallinen järjestys säilyisi.

Termodynamiikan mukaan epäjärjestys pyrkii lisääntymään ajan myötä. Elimistössä tämä merkitsee sitä, että konsentraatioerot pyrkivät tasoittumaan, monimutkaiset rakenteet hajoamaan ja muisti rappeutumaan. Soluissa epäjärjestyksen lisääntymistä torjutaan esim. aineiden aktiivisen kuljetuksen avulla ja paikkaamalla viallisia rakenteita. Järjestyksen ylläpitäminen vaatii jatkuvaa energiavirtaa; termodynamiikan edellyttämä entropian kasvu toteutuu ympäristössä.

Solut saavat energiansa pilkkomalla ravintoainemolekyylejä. Niihin sitoutunut kemiallinen energia vapautuu happea käyttävässä (aerobisessa) soluhengityksessä ja ilman happea (anaerobisesti) käymisprosessissa. Vapautuva energia sitoutuu korkeaenergisiin fosforiyhdisteisiin, etenkin adenosiinitrifosfaattiin eli ATP:hen. Neuronien ainoa energialähde on veren mukana tuleva glukoosi. Sen energiasta noin 60% saadaan siirrettyä ATP-molekyyleihin hukkaenergian muuttuessa lämmöksi.

Aivot ovat ruumiin suurin energian kuluttaja johtuen suureksi osaksi Na—K-pumppujen toiminnasta. Vaikka ihmisaivojen paino on vain noin 2% kehon koko painosta, aivojen tarvitsemat 50 millilitraa happea minuutissa muodostavat 20% ihmisen koko happitarpeesta lepotilassa. Aivojen energiankulutus ei levon aikana juuri pienene; onpa havaittu sen univaiheen aikana jopa lisääntyvän. Teknisiin laitteisiin verrattuna aivojen energiankulutus ei kuitenkaan ole suuri, vain noin 20 W eli luokkaa yksi nW neuronia kohti. Jos ajatellaan yksinkertaistaen hermosolun laskevan 1000 synaptisen potentiaalin summan keskimäärin 100 ms:n välein, voidaan arvioida aivojen suorittavan 1015 yhteenlaskua sekunnissa, jolloin yhteen laskutoimitukseen kuluisi vain noin 20 fJ (1 femtojoule = 10—15 J 6000 eV) . Nykyaikaisetkin tietokoneet käyttävät useita kertaluokkia enemmän energiaa laskutoimitusta kohti.

Aktiopotentiaaleja laukovat neuronit tarvitsevat enemmän ravintoa kuin passiiviset hermosolut. Tätä seikkaa voidaan käyttää hyväksi aktiivisten neuronien löytämiseksi. Aktiivisen alueen verenkierto lisääntyy energian saatavuuden turvaamiseksi. Myös tämä voidaan nähdä ruiskuttamalla verenkiertoon radioaktiivista isotooppia ja mittaamalla sitten pään eri alueiden aktiivisuutta jotakin tehtävää suoritettaessa. 1990-luvulla kehitetty toiminnallinen magneettikuvaus (funktionaalinen MRI eli fMRI) antaa mahdollisuuden mitata verenkierron muutoksia millimetrin paikkatarkkuudella myös ilman merkkiaineita.

Kehon käyttämiä polttoaineita ovat sokerit, rasvat ja aminohapot. Neuronit voivat käyttää energialähteenään kuitenkin vain glukoosia. Lihakset tulevat toimeen lyhyehköjä aikoja ilman happea, mutta aivosolut kuolevat nopeasti hapen puutteeseen. Jos uuden veren pääsy aivoihin keskeytyy, ihminen menettää tajuntansa 10 sekunnissa ja pian syntyy pysyvä aivovaurio. Vakavia seurauksia aiheutuu myös, jos veren glukoosipitoisuus jostakin syystä alenee, esim. sokeritautisen henkilön ruiskuttaessa vereensä vahingossa liikaa insuliinia. Hienot säätömekanismit pitävät veren happi- ja glukoosipitoisuudet normaalisti vakaina.

Neuronit eivät yleensä uusiudu, vaan niiden on kestettävä ihmisen koko elinaika. Sen sijaan evoluutio on kehittänyt mekanismeja, joilla vialliset solun osat voidaan vaihtaa. Mm. mitokondrion vaurioiduttua rakentaa solu uuden. Esim. maksasolujen mitokondrioiden elinajaksi on arvioitu 10–20 vrk. Solun toimintojen ylläpitämiseksi solu pystyy syntetisoimaan entsyymejä ja muita monimutkaisia molekyylejä. Nämä tuotteet on tarvittaessa kuljetettava niiden syntypaikasta eli solun soomaosasta sinne missä niitä tarvitaan, esim. dendriitteihin tai aksoneihin.

Erityisesti aksonien tapauksessa, jossa etäisyydet saattavat olla useita desimetrejä, kuljetusongelmat ovat huomattavat. Aksoplasmassa molekyylit virtaavat soomasta aksonin päähän ja päinvastoin (Kuva 15). Useita eri kuljetusmekanismeja on toiminnassa samanaikaisesti: aksonin kasvuun tai vaurioiden korjaamiseen tarvittava plasma kulkeutuu aksonin päätä kohti hitaasti, noin 1 mm/vrk, kun taas monet solun erityiskomponentit ja välittäjäaineiden valmistukseen tarvittavat entsyymit virtaavat kohti aksonin päätä nopeasti, 10–20 cm/vrk eli noin 1 mm/s.

 

Toistaiseksi ei vielä tarkkaan tiedetä, miten erilaiset kuljetusmekanismit toimivat samanaikaisesti, mutta solun sisäisillä säikeillä, ns. neurofilamenteilla (Kuva 16) on ilmeisesti tärkeä tehtävä. Seuraamalla radioaktiivisella isotoopilla merkittyjen proteiinien kulkua aksonia pitkin aivojen "kytkentäkaaviosta" on saatu paljon tietoja. Samaan tarkoitukseen voidaan myös käyttää piparjuuriperoksidaasi- entsyymiä (horseradish peroxidase), joka kulkeutuu nopeasti aksonin päästä soomaa kohti.

Aivosolut

Aivoissa on 100 miljardin hermosolun lisäksi ehkä kymmenkertainen määrä tuki- eli gliasoluja. Neuronit toimivat lähinnä signaalien välittäjinä ja prosessoijina sekä muistina, kun taas gliasolut huolehtivat erilaisista aputehtävistä kuten myeliinitupen muodostamisesta, kemiallisen tasapainon säätelystä ja aineiden kuljetuksesta verisuonten ja neuronien välillä.

Hermosolut

Kuvassa 17 esitetään hermosolun perustyypit. Neuronin pääosat ovat sooma (soluruumis), tuovat haarakkeet eli dendriitit ja vievä haarake eli aksoni (Kuva 16). Tiedon siirto pitkin aksonia perustuu solukalvon läpäiseviin ionikanaviin, jotka avautuvat natrium- ja kaliumioneille kalvojännitteen funktiona mahdollistaen etenevän vaimentumattoman jänniteaallon, aktiopotentiaalin.

Jotta hermosolu pystyisi välittämään signaaleja, on solun sisä- ja ulkopuolien ionikonsentraatioden välillä oltava tietty ero: ulkopuolella paljon natriumia ja sisällä paljon kaliumia. Tasapainon ylläpidosta huolehtivat solukalvolla olevat Na—K-pumput (Kuva 14), jotka toimittavat solun sisään joutuneet ylimääräiset Na-ionit solun ulkopuolelle ja vastaavasti K+-ionit solun ulkopuolelta sisäpuolelle. Pumppaus suuntautuu "vastavirtaan" eli kummankin ionin suhteen laimeammasta pitoisuudesta väkevämpään. Pumppaamisen vaatima energia saadaan ATP:tä hajottamalla.

Pitoisuuserojen seurauksena solun sisäpuolen potentiaali ulkopuoleen verrattuna on lepotilassa noin 70 mV negatiivinen. Depolarisaatio tarkoittaa solukalvon yli olevan jännitteen pienentymistä, hyperpolarisaatio sen kasvamista. Jos depolarisaatio on tarpeeksi suuri, saavutetaan jänniteherkkien ionikanavien avautumisen kynnysarvo, jolloin natriumia virtaa soluun depolarisoiden tätä entisestään. Solu "laukeaa" ja lähettää aktiopotentiaalin, jonka edetessä jännitepulssin amplitudi säilyy vakiona ja ilmiö etenee muuttumattomana kuten dominopalikkarivin kaatuessa. On huomattava, että tässä prosessissa ei siirry energiaa eikä materiaa pulssin suuntaan. Ainoa mikä siirtyy, on informaatio. Mikäli depolarisaatio soluruumiissa ei ylitä kynnysarvoa, etenevää aktiopotentiaalia ei synny, vaan jännitteen muutos jää paikalliseksi.

Aktiopotentiaali etenee jopa 100 m/s myeliinitupellista hermosäiettä pitkin. Voimakkaampi ärsyke ei lisää potentiaalihuipun korkeutta, mutta lyhentää perättäisten pulssien aikaväliä. Viestintä perustuu siis lähinnä taajuusmodulaatioon.

Dendriitit ja aksoni

Hermosolu saa toimintaa kiihdyttävät (eksitatoriset) ärsykkeet muilta soluilta lähinnä dendriitteihin ja toimintaa estävät (inhibitoriset) ärsykkeet lähinnä soomaan (Kuvat 18). Neuronissa on tyypillisesti useita dendriittejä mutta vain yksi aksoni; tällainen solu on multipolaarinen. Dendriitit ovat yleensä haaroittuneita ja niiden pinta-ala on suuri, jotta tuhannet synapsit mahtuisivat niiden pinnalle. On myös bipolaarisia soluja, jolloin dendriittejä on vain yksi. Monopolaarisissa soluissa hermosäie on täysin erillään soomaosasta (Kuva 17).

Soomaosan sitä kohtaa, josta aksoni erkanee, kutsutaan aksonikeoksi (axon hillock , Kuva 18). Siinä ovat solukalvon jänniteherkät ionikanavat laukeavat ensimmäisinä, kun synapseista lähtöisin oleva depolarisaatio saavuttaa kynnysarvon.

Vaikka soomasta lähteekin vain yksi aksoni, jakaantuu se ennen määränpäätään haaroiksi, jotka päättyvät hermopäätteinä toisen neuronin pinnalle tai ääreishermosssa lihaksiin tai rauhasiin. Nopeutta vaativissa yhteyksissä aksoni on päällystetty oligodendrosyyttien (ääreishermostossa Schwannin solujen) muodostamalla myeliinitupella (Kuva 19).

Tuki- eli gliasolut

Aivojen tilavuudesta puolet on muuta kuin hermosoluja; suurin osa tästä on neurogliaa (kreikasta; hermoliimaa). Mikrogliasolut ovat jätteidensyöjiä; ne käsittelevät solujen hajoamistuotteita. Makrogliassa on kaksi solupääryhmää; tähdenmuotoiset astrosyytit sekä oligodendrosyytit, jotka kiertyvät sähköä eristäviksi myeliinitupeiksi aksonien ympärille muodostaen jopa 50 kerrosta (Kuva 19). Yksi oligodendrosyytti voi muodostaa myeliinituppea monen eri aksonin ympärille (Kuva 20), mutta toisaalta kunkin aksonin myeliinituppi on monen oligodendrosyytin tuote. Kahden oligodendrosyytin muodostaman tuppiosan väliin jää lyhyt paljas alue nimeltään Ranvierin kurouma (node of Ranvier).

Astrosyytit eristävät synapseja toisistaan, muodostavat esteen selkäydinnesteen ja hermokudoksen välille sekä veri—aivoesteen (blood—brain barrier) yhdessä kapillaariverisuonien seinämän solujen kanssa.

Gliasolut hoitavat myös ravinto- ja kuona-aineiden kuljetusta verenkierron ja neuronien välillä sekä säätelevät eräiden välittäjäaineiden aineenvaihduntaa ja ionitasapainoa.

Kuva 20 esittää neuronin, astrosyytin ja oligodendrosyytin aivokuoressa. Astrosyyttejä on aivokalvostossa ja verisuonikapillaarien ympärillä, jossa ne osallistuvat veri—aivoesteen muodostukseen.

Aktiopotentiaalien eteneminen häiriintyy tautitilassa nimeltä multippeliskleroosi (MS), jossa myeliinituppi vaurioituu tulehduksen seurauksena. Tauti puhkeaa yleensä 20—40 vuoden iässä ja etenee eri ihmisillä eri tavoin. MS-tauti vaikuttaa lihaskoordinaatioon, näköön ja muihin hermoston toimintoihin näitä hidastavasti tai estävästi.

Synapsit

Hermosoluverkon informaationkäsittely perustuu solujen välisiin kytkentöihin; solun laukomistaajuus riippuu tulevien signaalien painotetusta summasta. Painokerroin riippuu synapsin paikasta: kaukana soomasta olevilla synapseilla on yleensä pienempi vaikutus kuin lähellä olevilla. Painokerroin ei ole kuitenkaan vakio vaan se riippuu solun senhetkisestä tilasta. Soluun voi tulla signaaleja tuhansista muista soluista. Yhteensä synapseja aivoissa on 1014–1015; onkin ilmeistä, ettei geneettiseen koodiin sisältyvä informaatio riitä määräämään aivojen kytkentäkaaviota sen yksityiskohtia myöten. Hermosoluverkon suuret peruslinjat syntyvät toki perimän mukaan, mutta yksittäiset synapsikytkennät muovautuvat aistisignaalien ja spontaanitoiminnan seurauksena.

Solut vaikuttavat toisiinsa joko eksitatorisesti (toimintaa kiihdyttäen) tai inhibitorisesti (toimintaa estäen). Jokaisen neuronin pinnalla on yleensä suuri määrä kumpaakin tyyppiä olevia synapseja. Monista soluista tulevan yhteisvaikutuksen muuntamista yhdeksi lähteväksi signaaliksi kutsutaan tulevan informaation integraatioksi.

Informaation ohjautumista monista neuroneista yhteen soluun kutsutaan konvergenssiksi. Vastaavasti solusta lähtevän signaalin haarautumista moniin muihin soluihin sanotaan divergenssiksi.

Signaalin tultua synapsiin solu vapauttaa kemiallista välittäjäainetta synapsirakoon, jossa aine diffuntoituu synapsinjälkeisen eli postsynaptisen solun solukalvolle vaikuttaen siellä. Keskushermoston määrällisesti tärkeimmät välittäjäaineet ovat aminohappoja. Eksitatorisia välittäjäaineita ovat glutamaatti ja aspartaatti; gamma-aminovoihappo (g-aminobutyric acid, GABA) taas on inhibitorinen. Tärkeä välittäjäaine on asetyylikoliini (acetylcholine, ACh), jota löytyy esim. hermo—lihas-liitoksesta. Katekolamiineihin (catecholamines) kuuluvia eksitatorisia välittäjäaineita ovat dopamiini ja sen aineenvaihduntatuotteet noradrenaliini ja adrenaliini. Muita välittäjäaineita ovat esimerkiksi serotoniini (5-hydroksitryptamiini; 5-HT) ja histamiini.

Eksitatorisessa synapsissa välittäjäaine aiheuttaa positiivisten ionien virtaamisen postsynaptiseen soluun, jolloin postsynaptinen solukalvo depolarisoituu. Inhibitorisessa synapsissa välittäjäaine taas pyrkii pitämään solukalvon potentiaalin kynnysarvon alapuolella.

Veri—aivoeste

Neuronien toiminta riippuu olennaisesti niiden solukalvon reseptorien ja välittäjäaineiden esteettömästä toiminnasta; vähäisetkin myrkkymäärät tai poikkeamat kemiallisesta perustilasta voivat merkittävästi haitata aivojen toimintakykyä. Optimaalista toimintaympäristöä turvaamaan on tästä syystä kehittynyt verisuonten ja aivojen välinen valli, astrosyyttien muodostama veri—aivoeste. Se säätelee, mitä molekyylejä aivoihin pääsee ja mitä ei. Veri—aivoesteen takia jotkut lääkkeet on annettava suoraan aivo—selkäydinnesteeseen; vain rasvaliukoiset yhdisteet (mm. etanoli) pääsevät helposti lipidejä sisältävän kerroksen läpi. Jotkin aineet, kuten aivojen ravintonaan käyttämä glukoosi, kuljetetaan veri—aivoesteen läpi aktiivisilla mekanismeilla.

Aivokuori

Isoaivokuori

Ihmisen kumpikin aivokuoripuolisko on A3-arkin laajuinen, 2–4 mm paksu, poimuuntunut kerros harmaata ainetta, joka sisältää 105 hermosolun soomaa neliömillimetrillä. Isoaivokuorella voidaan erottaa kuusi pääkerrosta, jotka nähdään eri menetelmillä värjättyinä kuvassa 21. Golgin hopeavärjäyksellä solut näkyvät kokonaisina, mutta vain noin sadasosa niistä värjäytyy. Nisslin menetelmä saa esiin soomaosat, myeliinivärjäys taas hermosyyt (aksonit).

Aivokuoressa uloimpana on paljon hermosolujen aksoneja mutta vähän soomaosia sisältävä molekulaarikerros (I kerros). Ulompi jyvässolukerros (II) on saanut nimensä pienistä jyvässoluista (granule cell). Kolmantena on ulompi pyramidisolukerros (III); pyramidi-nimitys johtuu soomaosien muodosta.

Neljänteen eli sisempään jyvässolukerrokseen (IV) tulee suuri osa afferenteista hermosyistä; vallitsevina ovat pienet jyväs- ja tähtisolut. Sisempi pyramidisolukerros (V) sisältää suuria pyramidisoluja, joiden aksonit vievät pääosan aivokuorelta lähtevästä tiedosta. Motorisessa aivokuoressa näiden pyramidisolujen soomat voivat olla läpimitaltaan jopa 0,1 mm. Monimuotoisten solujen kerros (VI) sisältää pyramidisolujen lisäksi välineuroneja, joiden aksonit kytkeytyvät ylempiin kerroksiin.

Korteksin läheisiä osia yhdistää aivokuoren sisällä kulkevia hermosyykimppuja. Nämä voidaan erottaa hermosyyvärjäyksessä IV ja V kerroksissa ns. ulompana ja sisempänä Baillargerin kimppuna. Visuaalisella aivokuorella (alue 17) nämä syyt voidaan nähdä paljain silmin vaaleana juovana aivokuoren poikkileikkauspinnalla. Aluetta 17 kutsutaankin nimellä striate cortex (juovikas aivokuori).

Aivokuoren pylväsrakenne

Suuri osa korteksin sisäisistä yhteyksistä on aivokuoren pintaa vasten kohtisuorassa; myös tulevat ja lähtevät aksonit ovat tässä suunnassa. Osa aivokuorelta lähtevistä aksoneista muodostaa ns. U-syitä palaten läheisellä alueella valkeasta aineesta takaisin aivokuoreen. Aivokuoren sisäisistä yhteyksistä syntyy aivokuoreen ns. pylväitä (kolumnit, columns), jotka näyttävät toimivan tiedonkäsittelyn perusprosessoreina.

Aivokuoren pylväiden solut reagoivat ko. pylväälle ominaisiin ärsykkeisiin voimakkaammin kuin naapuripylvään solut. Pylväsjärjestelmä mahdollistaa useiden muuttujien yhtäaikaisen kartoittumisen kaksiulotteisesti aivokuorelle. Näyttää kuitenkin siltä, että kolumnit ovat eri kokoisia eri aivokuorialueilla eivätkä suinkaan yhtä selvästi määriteltävissä kuin esimerkiksi primäärilla näköaivokuorella.

Kortikaaliset yhteydet

Hajuaistimuksia aivoihin välittävää hajurataa lukuun ottamatta sensoriset yhteydet periferiasta aivokuorelle välittyvät talamuksen kautta. Välittäjäaineena on glutamaatti ja/tai aspartaatti; mahdollisesti joissakin soluissa on samanaikaisesti vielä peptiditransmittereita. Hermoradat talamuksesta päättyvät pääasiassa aivokuoren kerroksiin III–IV, mutta myös kerroksiin I ja VI. Myös kortikokortikaaliset (aivokuoren eri osien väliset) yhteydet päätyvät keskikerroksiin.

Informaatio primäärisiltä aistialueilta sekundäärialueiden suuntaan näyttää lähtevän uloimmista aivokuoren kerroksista ja päättyvän kerrokseen IV, kuten talamokortikaalinen informaatiokin; sekundäärikuorelta primäärikuorelle kulkevat yhteydet lähtevät syvemmistä kerroksista (pääasiassa kerroksesta IV) ja päättyvät aivokuoren uloimpaan vähäsoluiseen kerrokseen. Toiselta aivopuoliskolta tulevat säikeet (ns. komissuraaliyhteydet) näyttävät toisilla aivoalueilla menevän lomittain samalta aivopuoliskolta tulevien säikeiden kanssa; toisilla alueilla paikat ovat täsmälleen samat. Assosiaatioalueet saavat informaatiota paitsi kortikokortikaalisista yhteyksistä, myös aivojen pohjaosista epäspesifisten talamustumakkeiden kautta.

Aisti-informaation ohella välittyy aivokuorelle myös toiminnan yleistasoa (mm. vireystilaa) sääteleviä signaaleja aivojen eri tumakkeista talamuksen kautta. Muita moduloivia yhteyksiä tulee aivokuorelle aivorungon ja väliaivojen pohjan tumakkeista, jotka käyttävät välittäjäaineinaan noradrenaliinia (locus coeruleus), serotoniinia (raphe-tumake) ja asetyylikoliinia (nucleus basalis Meyert).

Korteksilta aivojen sisäosiin vievät säikeet lähtevät pääasiassa kerroksista V ja VI.

Pikkuaivokuoren rakenne

Pikkuaivojen kuoren rakenne on yksinkertaisempi kuin isoaivokuoren (Kuva 10). Uloimpana on molekyläärikerros, sen alla on Purkinjen solujen kerros, sitten jyvässolukerros ja lopuksi valkea aine. Suurimmat solut ovat Purkinjen soluja. Jyvässolut (granular cells) ovat pienimpiä: niiden aksonit nousevat pikkuaivojen pinnalle ja haarautuvat siellä ja synapsoivat Purkinjen soluihin. Lisäksi pikkuaivoissa on korisoluja, tähtisoluja sekä gliasoluja. Pikkuaivokuoresta lähtee vain Purkinjen solujen säikeitä. Sinne tulevia yhteyksiä ovat kiipeävät säikeet (climbing) ja sammalsäikeet (mossy fibers); lisäksi sinne saapuu noradrenergisia (vällittäjäaineena noradrenaliini) ja serotonergisiä (välittäjäaineena serotoniini) yhteyksiä aivorungosta. Kiipeävät säikeet lähtevät ainoastaan aivorungon alemmasta oliivitumakkeesta. Kaikki muut tuovat säikeet (mm. selkäytimestä, tasapainoelimistä ja aivorungosta) saapuvat pikkuaivoihin sammalsäikeinä, jotka synapsoivat jyvässoluihin. Näiden aksonit kohoavat molekulaarikerrokseen, jossa ne puolestaan synapsoivat useisiin Purkinjen soluihin. Kiipeävät säikeet taas nousevat jyvässolukerroksen läpi ja synapsoivat sadoissa kohdissa suoraan Purkinjen solujen dendriitteihin. Jokainen oliivitumakkeesta pikkuaivoihin suuntautuva säie haarautuu, mutta kukin haara synapsoi vain yhteen Purkinjen soluun. Sammalsäikeet sen sijaan synapsoivat lukuisiin Purkinjen soluihin. Pikkuaivokuoreen on siis kaksi erityyppistä afferenttia rataa. Yksittäiseen Purkinjen solun dendriittisynapsiin vaikuttavat sekä kiipeävät säikeet että granulaarisolujen rinnakkaiset säikeet.

Pikkuaivokuoren kytkentäkaavio on suhteellisen yksinkertainen ja useimmat siellä toimivat välittäjäaineet tunnetaan: GABA Purkinjen soluissa, korisoluissa ja tähtisoluissa, glutamaatti jyvässoluissa ja jokin eksitoiva aminohappo kiipeävissä säikeissä.

Aivokuoren tutkimusmenetelmiä

Luigi Galvani (1737–1798) havaitsi, että hermoa sähköisesti ärsyttämällä saadaan sammakon lihakset liikkumaan. 1800-luvulla tehtiin runsaasti vastaavanlaisia tutkimuksia eri eläimillä; erityisen merkitykselliseksi muodostui Fritschin ja Hitzigin vuonna 1870 tekemä koe, jossa eräitä koiran aivokuorta sähköisesti ärsyttämällä saatiin aikaan ärsytyskohdasta riippuvia lihasliikkeitä ruumiin vastakkaisella puolella. Aikaisemmin oli jo tehty päätelmiä aivokuoren työnjaosta poistamalle eläinten aivoista valikoituja osia ja katsomalla, miten käyttäytyminen häiriintyy. Ihmisillä oli vastaavasti havaittu, että vammat toisella puolella aivoja korreloivat kehon toisella puolella ilmenevien halvausoireiden kanssa.

Vuonna 1861 Paul Broca osoitti ruumiinavauksin, että nykyään Brocan alueen nimellä tunnetun kohdan (Brodmann 44 vasemmalla aivopuoliskolla, kts. kuva 5) vaurio johtaa puhehäiriöihin (ns. motorinen afasia). Suurin osa aivokuoren toiminnallisesta jaosta saatiin kuitenkin eläinkokeista. 1940-luvulla kartoitettiin apinan motorinen ja sensorinen aivokuori, ja 1950-luvulla Wilder Penfield kollegoineen teki samantyyppisen kartoituksen ihmisellä. He ärsyttivät aivokuorta sähköisesti paikallispuudutuksessa tehtyjen aivoleikkausten aikana, jolloin potilas oli hereillä. Näin kyettiin selvittämään, mitä alueita voidaan poistaa toiminnallisia vaurioita aiheuttamatta.

Caton havaitsi aivokuoren spontaanin sähköisen aktiviteetin ensi kerran vuonna 1875 käyttäen kokeissaan kania ja apinaa. Ihmisaivojen spontaani toiminta rekisteröitiin sähköisesti kallon pinnalta ensimmäisen kerran 1920-luvun loppupuolella. Yksittäisen neuronin toimintaa voidaan mitata solun lähelle tai sen sisään pistetyllä mikroelektrodilla (Kuva 22). Ihmisaivoja voidaan tutkia tällä tavalla vain aivoleikkauksen aikana; sen sijaan menetelmää on käytetty ahkerasti kissoilla ja apinoilla tehdyissä kokeissa. Hubel ja Wiesel saivat näköaivokuoren mikroelektrodimittauksiin perustuvista tutkimuksistaan Nobelin palkinnon vuonna 1981. Mikroelektrodimittaukset ovat osoittautuneet erittäin tehokkaaksi keinoksi kerätä informaatiota hermosolujen toiminnasta, joskin yleensä tietoa saadaan vain pieneltä alueelta.

Kudosopilliset eli histologiset menetelmät antavat tietoa aivojen eri alueiden solutyyppien jakaumista. Valo- ja elektronimikroskooppi sekä erilaiset värjäysmenetelmät ovat tällöin oleellisia työvälineitä. Viilto neuronin soomaan aiheuttaa sen kuoleman, jolloin myös dendriitit ja aksoni nopeasti degeneroituvat ja tulevat sopivalla värjäystekniikalla näkyviin. Jos hermorata katkaistaan, sen päässä oleviin synapseihin kerääntyy ainetta, joka näkyy elektronimikroskoopilla.

Molekyylien aktiivista kuljetusta pitkin aksonia voidaan käyttää hyväksi aivojen kytkentöjen tutkimisessa. Kun radioaktiivista merkkiainetta injektoidaan aivokuoreen, kulkeutuu aine pitkin aksoneja sinne, mihin ko. alue lähettää signaaleja. Merkkiaine voidaan havaita leikkelemällä kudos viipaleiksi ja asettamalla viipaleet valokuvauslevylle, jolle muodostuu kuva merkkiainejakaumasta; kyseessä on autoradiografinen menetelmä.

Viime aikoina on saatu käyttöön useita tehokkaita aivotutkimusmenetelmiä. Magneettinen resonanssikuvaus (Magnetic Resonance Imaging = MRI) ja röntgensäteitä käyttävä kerroskuvaus (Computed Axial Tomography = CAT tai yleisemmin lyhyesti CT) kertovat aivojen anatomiasta; positroniemissiokuvaus (Positron Emission Tomography = PET) ja muut radioaktiivisiin merkkiaineisiin perustuvat kuvausmenetelmät antavat tietoa aineenvaihdunnasta; lämpösäteilyä mittaamalla saadaan tietoa kudosaktiviteetin jakaumasta. Funktionaalinen MRI kertoo epäsuorasti aivotoiminnasta paikallisen verenkierron muuttuessa neuroniaktivaation seurauksena. Verenvirtaus nimittäin lisääntyy siellä, missä energiantarve kasvaa, ja virtauksen lisäys on niin suuri, että veren happipitoisuus kasvaa. Koska hemoglobiinin magneettinen suskeptibiliteetti muuttuu hapen sitoutuessa siihen, voidaan happipitoisuuden muutos nähdä magneettikuvassa.

Verenkierron muutoksia voidaan havaita myös optisesti (NIRS = Near infrared spectroscopy). Tässä menetelmässä ohjataan valokuidusta tuleva infrapunavalo kallon lävitse. Takaisin monen sironnan kautta tuleva valo vaimenee ja valon keskimäärin kulkema matka muuttuu reitillä olevan veren määrän funktiona. Jos valoa syötetään monesta eri päänahan pisteestä ja sitä mitataan monesta eri pisteestä, voidaan tuloksista laskea aivojen aktivaatiojakauma koehenkilön suorittaman tehtävän aikana. Menetelmää kehitetään mm. TKK:n Lääketieteellisen tekniikan laboratoriossa.

Magnetoenkefalografia (MEG) ja elektroenkefalografia (EEG) taas aivojen sähköisestä toiminnasta. Neuronien sähkövirrat aiheuttavat magneettikentän, jonka vuontiheys pään pinnalla on yhden pikoteslan suuruusluokkaa. Näin pienten kenttien havaitseminen on mahdollista magnetometreillä, joissa anturina käytetään SQUIDejä (Superconducting Quantum Interference Device). Tarkat mittaukset onnistuvat ainoastaan magneettisesti rauhallisessa ympäristössä, jollaisen tarjoaa esim. TKK:n kylmälaboratorion tai HYKSin BioMag-laboratorion magneettisesti suojattu huone. Menetelmää kutsutaan magnetoenkefalografiaksi (MEG). Sen tärkein etu on se, että aivotoimintaa voidaan seurata millisekunnin aikaskaalalla ja muutaman millimetrin paikannustarkkuudella ilman, että kalloa täytyy avata. Sama aikatarkkuus saadaan sähköisillä mittauksilla eli EEG:llä, joskin sen paikkatarkkuus ei ole aivan yhtä hyvä kuin MEG:llä. Aivomagnetismia käsitellään melko yksityiskohtaisesti myöhemmin.

Aivoja voidaan tutkia myös niitä magneettisesti stimuloimalla. Menetelmä on nimeltään TMS (Transcranial magnetic stimulation) ja sitä on Suomessa kehitetty HYKSin BioMag-laboratoriossa sekä Nexstim Oy:ssä.

Elektrofysiologiaa

Solukalvo

Solukalvo rajaa solun erilliseksi yksiköksi, jolla voi olla naapureista poikkeavat kemialliset ja sähköiset ominaisuudet. Itse solukalvo on keskeinen sähköisen toiminnan ja solujen välisen kemiallisen kommunikaation kannalta. Kalvon huono läpäisevyys ioneille mahdollistaa konsentraatioerot ekstra- ja intrasellulaaritilojen (solun ulkopuolinen ja sisäpuolinen tila) välillä. Kalvon läpi ulottuvat proteiinimolekyylit muodostavat kanavia, jotka avautuvat vallitsevan jännitteen tai ionikonsentraatioiden vaikutuksesta päästäen määrätyt ionit kulkemaan läpi.

Na+-ionien pitoisuus solun ulkopuolella on 145 mmol/l ja sisäpuolella 12 mmol/l, K+-ionien vastaavasti 4 mmol/l ja 155 mmol/l, ja Cl-ionien 120 mmol/l ja 4 mmol/l. Lisäksi solun sisällä on negatiivisesti varautuneita suuria molekyylejä, jotka eivät pääse läpäisemään solukalvoa. Litrassa vettä on noin 56 moolia H2O:ta, joten jokaista Na+-, K+- ja Cl-ionia kohti on 200 vesimolekyyliä. Ioneja on siis noin 2 nm:n välein.

Ionien satunnainen lämpöliike aiheuttaa sen, että konsentraatioerot (Kuva 23) pyrkivät tasoittumaan. Kun on kysymys varattujen hiukkasten diffuusiosta valikoivasti läpaisevän kalvon läpi, aiheuttaa ionien siirtyminen sähkökentän, joka pyrkii estämään liikettä. Esimerkiksi kun K+-ionit diffundoituvat solun ulkopuolelle, muuttuu sisäpuoli negatiivisesti varatuksi. Jos solun sisällä olevat orgaaniset anionit pääsisivät solukalvon läpi ulos tai ulkopuolella olevat Na+-ionit sisään, potentiaaliero häviäisi. Solukalvon yli muodostuu siis jännite, joka aiheuttaa yhtä suuren virran solun sisään kuin mitä diffuusio aiheuttaa ulos. Kun muiden ionien läpäisevyys oletetaan nollaksi, näin syntynyttä jännitettä kaliumin tasapainopotentiaaliksi.

Nernstin yhtälö

Kun vain yksi ionilaji voi läpäistä solukalvon, saadaan tasapainopotentiaali E Nernstin kaavasta:

E = (kT/eZ)ln(cu/cs) ,

missä k onBoltzmannin vakio, T absoluuttinen lämpötila, e alkeisvaraus, Z ionin valenssi (Na+ ja K+: +1; Cl: —1), cu ionin pitoisuus solun ulkopuolella ja cs sisäpuolella. Tässä tasapainotilassa diffuusiovirta korkeammasta pitoisuudesta pienempään on sama kuin sähkökentän aiheuttama ohminen virta.

Kun edellä mainitut tyypilliset ionikonsentraatiot solun ulko- ja sisäpuolella sijoitetaan Nernstin kaavaan elimistön lämpötilassa T = 310 K, saadaan E(K+) = —97 mV, E(Cl) = —90 mV ja E(Na+) = 66 mV. Solukalvo ei siis voi olla tasapainossa kaikkien ionityyppien suhteen samanaikaisesti. Juuri tämä epätasapaino tekee mahdolliseksi postsynaptisten potentiaalien syntymisen välittäjäaineiden vaikutuksesta sekä solukalvon laukeamisen ja aktiopotentiaalin etenemisen.

Kun solussa ja sen ulkopuolella on erilaisia ioneja, riippuu kalvon yli muodostuva jännite näistä kaikista siten, että vaikutus on verrannollinen kunkin ionin läpäisevyyteen:. Tätä voidaan kuvata kaavalla

P(K+)cu(K+) + P(Na+)cu(Na+) + P(Cl)cs(Cl)

 V = (kT/e) ln                     ___________   ,

P(K+)cs(K+) + P(Na+)cs(Na+) + P(Cl)cu(Cl)

missä läpäisevyyksiä (virta/konsentraatioero) on merkitty P:llä. Solun lepotilassa P(K+) ja P(Cl) ovat suuret ja P(Na+) pieni; kalvojännite asettuu tällöin lähelle K+- ja Cl-ionien tasapainopotentiaalia (noin —70 mV).

Pitoisuuksien eroa solukalvon yli pitää yllä aktiivinen ionikuljetus eli ns. Na—K-pumppu. Käyttämällä ATP:stä saatavaa energiaa tämä kemiallinen mekanismi siirtää Na+-ioneja solusta ulos ja K+-ioneja soluun. Mikäli pumpun toiminta pysäytetään esim. ouabain-nimisellä myrkyllä, pitoisuuserot tasoittuvat vähitellen ja potentiaalierot pienenevät ja aktiopotentiaalin eteneminen ei enää ole mahdollista.

Na—K-pumppu siirtää 2 K+-ionia soluun samalla kun 3 Na+-ionia siirtyy solusta ulos. Tämä mekanismi lisää sisäosan negatiivisuutta, joten pumppu on jännitettä synnyttävä eli elektrogeeninen. Lämpötilaa laskettaessa kalvojännite pienenee, koska natriumia ei enää pumpata solusta ulos yhtä tehokkaasti ja Na+:n ja K+:n vastakkaissuuntaisten virtausten ero pienenee. Pumpun elektrogeenisyys selittää kuitenkin kalvojännitteestä vain muutaman millivoltin; potentiaaliero johtuu parhaiten solukalvoa läpäisevien ionien konsentraatioeroista, kuten edellä on jo todettu.

Aktiopotentiaali

Aktiopotentiaali vaatii konsentraatioerojen ja ionien erilaisten läpäisevyyksien lisäksi sen, että kalvolla on jänniteherkkiä ionikanavia. Kun solun sisäosa on riittävän positiivinen eli solu on depolarisoitunut tarpeeksi, avautuvat ensimmäiset jänniteherkät natriumkanavat aksonikeossa. Natriumin tunkeutuminen soluun lisää depolarisaatiota ja myös viereiset kanavat avautuvat. Näin syntyy peräkkäin asetettujen dominopalikoiden kaatumiseen usein verrattu ketjureaktio, joka etenee pitkin aksonia kohti hermopäätteitä. Aktiopotentiaalia tutkitaan usein mustekalan jättiläisaksonista, johon on helppo työntää mikroelektrodeja virran syöttämiseksi siihen ja potentiaalimuutosten mittaamiseksi. Kun virtaa syötetään soluun, kalvojännite pienenee ja natriumin läpäisevyys P(Na+) suurenee aiheuttaen kalvojännitteen entistä nopeamman pienenemisen. Heti tämän jälkeen P(K+) kasvaa ja kaliumin virtaus kompensoi natriumin vaikutuksen. Pulssi leviää solukalvon päästä päähän kuin tuli sytytyslangassa: viereinen kohta sytyttää aina seuraavan. Aktiopotentiaali ei kuljeta mukanaan energiaa–ainoastaan informaatiota siirtyy.

Englantilaiset Alan Hodgkin ja Andrew Huxley (Nobel 1963) selvittivät kvantitatiivisesti aktiopotentiaalin etenemisen. Heidän nimiään kantavat Hodgkin—Huxley-yhtälöt kuvaavat, miten johtavuus g (verrannollinen ionien läpäisevyyteen) muuttuu Na+- ja K+-ioneille (Kuva 24). Koska g(Na+) kasvaa nopeasti aktiopotentiaalin alussa, virtaa Na+ solun sisään ja kalvojännite lähestyy natriumin tasapainopotentiaalia E = (kT/eZ)ln(cu/cs) +66 mV. Kun tämän jälkeen g(Na+) pienenee ja g(K+) kasvaa, kaliumioneja virtaaulos solusta ja kalvojännite palaa kaliumin lepojännitteen tuntumaan. Kumpikin ionilaji virtaa omaa konsentraatiogradienttiansa vastaan (suureste pitoisuudesta pienempään). Kuva 25 esittää solukalvon ekvivalenttia virtapiiriä.

Aktiopotentiaalin laukaisemiseen tarvittava kynnysarvo on se kalvojännite, jossa toisilleen vastakkaissuuntaisten Na+- ja K+-virtojen tiheydet ovat yhtä suuret. Jos synaptisen eksitaation aiheuttama depolarisaatio jää tämän tason alapuolelle, jää depolarisaatio paikalliseksi ja jännite palautuu takaisin lepopotentiaaliin. Aksonia lähtee siten etenemään joko täysmittainen aktiopotentiaali tai ei minkäänlaista. Tätä sanotaan joskus "kaikki tai ei mitään" -periaatteeksi.

Aktiopotentiaalin aikana ja sitä seuraavan ns. refraktääriajan kuluessa solukalvo ei voi laueta uudestaan. Tämän jälkeenkin ns. suhteellisen refraktääriajan aikana syntyy uusi aktiopotentiaali vain jos soluun tuleva eksitaatio on tavallista voimakkaampaa. Refraktääriajan vuoksi solulla on tietty maksimitaajuus, jolla se voi laukoa aktiopotentiaaleja. Käytännössä pulssitaajuus harvoin ylittää 200 Hz; ehdoton yläraja on 500 Hz.

Tyypillinen aktiopotentiaalin etenemisnopeus myeliinitupettomissa soluissa on 1 m/s; nopeus on verrannollinen aksonin halkaisijaan. Aktiopotentiaalin huippukohdassa natriumia virtaa sisään, sisäpuoli tulee positiiviseksi ja syntyy paikallinen virtapiiri, joka depolarisoi viereistä kohtaa siirtäen sen laukeamiskynnyksen yli (Kuva 26).

Myeliinitupellisissa aksoneissa signaali etenee jopa yli 100 m/s. Tämä johtuu siitä, että paikallinen virtapiiri kiertää seuraavan Ranvierin kurouman kautta ohittaen välillä olevan myelinisoidun alueen, jossa solukalvo ei laukea. Tätä johtumistapaa kutsutaan hyppiväksi eli saltatoriseksi. Koska sähkövirta vaikuttaa välittömästi seuraavaan kuroumaan, aikaa säästyy. Aktiopotentiaalin aikana siirtyy kalvon läpi varsin vähäinen osa ionien kokonaismäärästä; solu voi lähettää jopa 100 000 hermoimpulssia ilman elektrolyyttien pitoisuuksien ratkaisevia muutoksia. Ennen pitkää kuitenkin tarvitaan Na—K-pumppua palauttamaan pitoisuudet optimaalisiksi.

Solukalvon toimintamekanismien molekulaarinen selitys

Jänniteherkän Na+-kanavan lepotilassa ionin kulun estää voimakkaasti polaarisen molekyylin "uloke" (Kuva 27). Kalvojännitteen ja samalla kalvonsisäisen sähkökentän muuttuessa molekyylin varauksiin kohdistuvat voimat muuttuvat ja portti avautuu. Polaarisen molekyylin kääntymistä tukee havainto, että siihen liittyvä varausjakauman muutos on havaittu pienenä heilahduksena solukalvon jännitteessä ja virrassa.

Kuva 14 esittää Na—K-pumpun toimintamekanismia; pumpusta tiedetään mm. seuraavaa:

Jotta pumppu toimisi, solun ulkopuolella tulee olla K+- ja sisäpuolella Na+-ioneja. Pumpun aktiviteetti riippuu solunsisäisen Na+:n määrästä.

Yhden pumppujakson aikana siirtyy kaksi K+-ionia solun sisään ja kolme Na+-ionia solusta ulos.

Jotta pumppu toimisi, solun sisäpuolisessa nesteessä tulee olla adenosiinitrifosfaattia (ATP). Yhden ATP-molekyylin hydrolysoituminen antaa riittävästi energiaa kolmen Na+-ionin pumppaamiseksi solusta ulos.

Lisäämällä solun ulkopuoliseen nesteeseen pieniä määriä pumppuun tarrautuvia aineita (esim. ouabain) pumpun toiminta voidaan pysäyttää.

Pumppuna toimiva entsyymi (Na+, K+-ATPase) on proteiinimolekyyli, jonka molekyylipaino on noin 95000. Tämän entsyymin pinnalla on kohtia, joihin Na+, K+, ATP ja ouabain voivat takertua. Solun koosta ja aktiviteetista riippuen sen kalvolla on 103–106 Na—K-pumppua. Pumppumolekyylin kuvasi ensimmäisenä tanskalainen Jens Skou, joka sain löydöstään kemian Nobelin palkinnon vuonna 1997.

Kuva 29 on yhteenveto Na+-, K+-, ja Cl-ionien aktiivisesta ja passiivisesta kuljetuksesta solukalvon läpi.

Aivojen sähköinen toiminta

Aivojen sähköisen toiminnan perusteita

Seuraavaksi ryhdytään tarkastelemaan aivojen sähköistä toimintaa lähtien siitä, mitä tiedetään aivojen rakenteesta, ionien pitoisuuksista ja solukalvon ilmiöistä. Emme tässä yhteydessä pohdi, miten aivot ovat kehittyneet ja päätyneet tarkasteltavana olevaan tilaan. Yritämme vain ymmärtää, miten järjestelmä toimii aikaskaalalla millisekunnista aina sekuntiin saakka. Jätämme siis huomiotta useita erittäin tärkeitä ilmiöitä, joiden tyypilliset aikavakiot ovat kymmenistä sekunneista vuosiin. Tällaisia ovat mm. synapsien kytkentävahvuuksien modifioituminen "oppimisen" tai muistiin painamisen aikana, solun haarakkeiden kasvu ja uusien synapsien syntyminen, hormonaaliset ilmiöt, vuorokausirytmi ja vanheneminen.

Millisekuntien aikaskaalalla vain neuronit näyttävät olevan tärkeitä informaation käsittelyn kannalta. Hormonien ja muiden molekyylien pitoisuudet soluvälinesteessä ja soluissa sekä gliasolut ja verenkierto muodostavat hermosolujen toiminnalle ympäristön, jonka merkitys on oleellinen mutta lähes muuttumaton tällä aikaskaalalla. Tarkastellaan siis vain neuronien muodostamaa verkkoa; joudumme yksinkertaistamaan asioita, mutta joitakin oleellisia piirteitä tullee esille.

Hermosoluverkossa on kolmessa asemassa olevia soluja: 1) sensoriset eli input-solut, 2) välineuronit eli interneuronit ja 3) motoriset eli output-solut. Sekä input- että output-solut ovat topologisesti verkon "pinnalla"; välineuronit ovat yhteydessä ulkomaailmaan vain välillisesti. Interneuronit voidaan luokitella sen mukaan, mikä niiden topologinen "syvyys" on, ts. kuinka kaukana ne ovat pinnalta eli kuinka monen synapsin kautta sensorisen signaalin on tultava saavuttaakseen solun tai vastaavasti monenko synapsin kautta solun lähettämän signaalin on vähintään kuljettava saavuttaakseen motorisen solun. Periaatteessa 1011 solua, joista noin 106 on pinnalla ja joilla on 1000 synapsia kullakin, voisi järjestyä niin, että maksimisyvyys olisi 2 synapsia. Miljoona pintasolua voi nimittäin synapsoida 109:n välineuronin kanssa, jotka voivat kytkeytyä kaikkiin muihin soluihin. Aivoissa rakenne on kuitenkin syvempi; organisaatiossa on järjestelmällistä modulaarisuutta eri mittakaavoissa. Kukin alue toimii erikoistuneena piirreanalysaattorina; esim. V4 on värialue ja MT liikealue.

Hermosoluverkon toiminta perustuu siihen, miten kukin solu laukoo aktiopotentiaaleja saamiensa synaptisten signaalien mukaan. Dendriitteihin kytkeytyvät synapsit ovat yleensä eksitatorisia, solun soomaosaan kytkeytyvät taas inhibitorisia (Kuva 18). Solu toimii summauselementtinä: jos kiihdyttävän ja estävän vaikutuksen erotus on tarpeeksi suuri ja kalvojännite aksonikeossa ylittää kynnysarvon, solu lähettää oman pulssinsa eteenpäin. On myös neuroneja, jotka laukovat varsin aktiivisesti myös ilman kiihdyttävää vaikutusta. On kuitenkin muistettava, että hermosolun toiminta ei ole pelkästään signaalien summaamista; tulevat signaalit voivat myös muuttaa synaptisten kytkentöjen vahvuuksia, solun kasvua ja aineenvaihduntaa.

Jotta voisimme ymmärtää aivoja fysikaalisena systeeminä, meidän on kuvailtava sen ominaisuudet fysiikan kielellä.

Johtavuus. Olkoon s(r) johtavuus paikassa r. Tämä tarkoittaa sitä, että kohdassa r vaikuttava sähkökenttä E(r) aiheuttaa sähköisen virtatiheyden J(r) = s(r)E(r). Jos s ei riipu sähkökentän voimakkuudesta, on väliaine lineaarinen; jos J ja E ovat aina yhdensuuntaiset, johtavuus on isotrooppinen ja s on skalaari.

Diffuusio. Olkoon ck(r) ionin k pitoisuus paikassa r (esim. yksiköissä mmol/litra). Mikäli konsentraatio ei ole kaikkialla sama, pyrkii lämpöliike tasoittamaan eroja. Ilmiö on diffuusio, jonka nopeus riippuu väliaineesta ja asianomaisesta ionilajista: JkD(r) = —eZDkck(r); ionin k diffuusiovirta JkD(r) on siis verrannollinen konsentraatiogradienttiin (Dk on diffuusiovakio).

Sähkökenttä. Epähomogeenisessa aineessa sähkökentällä tarkoitetaan yleensä keskimääräistä kenttää sopivan suuruisella alueella mittakaavan riippuessa siitä, mihin tätä käsitettä käytetään. Tarkasteltaessa aivoja makroskooppisella tasolla unohdetaan solun mittakaavaa olevat epähomogeenisuudet. Solun ilmiöitä tarkasteltaessa on taas otettava huomioon solukalvo, mutta useimmiten solunsisäiset organellit voidaan jättää huomiotta.

Magneettikenttä. Päinvastoin kuin sähkökentällä, magneettikentällä ei ole oleellista merkitystä aivojen toiminnassa. Aivoissa kulkevat sähkövirrat synnyttävät kuitenkin niin voimakkaan, pään ulkopuolelle ulottuvan magneettikentän, että se voidaan mitata herkillä SQUID-antureilla. Näin havaitun magneettikentän perusteella voidaan päätellä, mikä aivojen osa aiheutti kentän.

Magneettiset aivostimulaattorit, jotka tulivat markkinoille vuoden 1985 jälkeen, eivät varsinaisesti perustu magneettikentän vaikutukseen vaan siihen, että nopeasti muuttuva magneettikenttä indusoi sähkökentän.

Kvasistaattinen approksimaatio

Aivojen sähköisiä ilmiöitä tutkittaessa voimme käyttää ns. kvasistaattista approksimaatiota. Tämä tarkoittaa sitä, että sähkö- ja magneettikenttien laskemiseksi tarvitsee ottaa huomioon vain sähkövaraukset ja sähkövirrat. Katsotaan seuraavassa, miksi näin on. Lähtökohtana ovat Maxwellin yhtälöt ja väliainetta kuvaavat konstitutiiviset yhtälöt:

Maxwellin yhtälöt ovat:

 · E = r/eo (1)

 x E = -B/t (2)

 · B = 0 (3)

 x B = mo(Jt + eoE/t) (4)

Tässä r on (kokonais)varaustiheys, eo tyhjön permittiivisyys, mo tyhjön permeabiliteetti ja Jt on kokonaisvirta.

Konstitutiiviset yhtälöt (passiivisessa väliaineessa) ovat:

J sE (5)

DeE = eoE + P (6)

B mH = mo(H + M) (7)

Tässä D on sähkövuon tiheys, P polarisaatio ja M magnetisaatio.

Aivojen makroskooppisessa toiminnassa esiintyy lähinnä alle 100 Hz:n taajuuksia; solutasollakin taajuudet ovat pääasiassa alle 1 kHz. Oletetaan s, e ja m vakioiksi ja tarkastellaan sähköisiä ilmiöitä taajuudella f:

DDo(r)exp(i2ft)

D/t = 2ifD = 2ifeE .

Jotta kvasistaattisuus olisi voimassa, vaaditaan, että |D/t | << |J | => 2ife/s << 1. Sijoitetaan s = 0,3 W—1m—1, e = 106eo ja f = 100 Hz. Saadaan 2ife/s = 0,02 << 1.

Lisäksi vaaditaan, että B/t on pieni. Yhtälöstä (2) saadaan

 x  x E  = —/t ( x B) (8)

= —m/t (J  + D/t) (9)

= —2ifm(s + 2ife)E . (10)

Pään alueella (halkaisija L = 20 cm) on ylläolevan termin osuus E:n Taylorin sarjasta suuruusluokkaa L 2| x  x E|. Jotta se olisi merkityksetön, on oltava voimassa

| x  x E| / |E| << 1 (11)

=> |2ifms(1 + 2ife/s)L 2| << 1 . (12)

Kun edelliseen sijoitetaan m  mo, suhteeksi saadaan noin 0,00001 << 1. Kvasistaattisten yhtälöiden käyttö tässä yhteydessä on siis perusteltua.

Todettakoon vielä, että kvasistaattisuus ei merkitse, että ajasta riippuvat ilmiöt voitaisiin yleisesti jättää huomiotta. Esimerkiksi kapasitiivinen virta solukalvon yli on merkittävä tarkasteltaessa aktiopotentiaalin ominaisuuksia. Sen sijaan kentänmuutosvirtaa eoE/t, kaava (4), ei tarvitse ottaa eksplisiittisesti mukaan magneettikenttää laskettaessa. Myöskään magneettikentän aikaderivaattaa, kaava (2), ei tarvitse ottaa huomioon sähkökenttää laskettaessa.

 

Primäärivirta

Aivotoiminnan synnyttämä virtatiheys on tarkoituksenmukaista jakaa kahteen osaan: tilavuusvirta Jv(r) s(r)E(r) eli paluuvirta on passiivinen, sähkökentän aikaansaama (ohminen) virta, kun taas primäärivirtaa Jp(r) on kaikki muu virta:

J(r) Jp(r) + s(r)E(r) . (8)

Määritelmä (8) olisi puutteellinen, ellei kerrottaisi, että s(r) tarkoittaa johtavuuttaa makroskooppisella tasolla; solutason yksityiskohdat jäävät siis ilman eksplisiittistä huomiota. Jako (8) on hyödyllinen siksi, että hermosolun aktiivinen toiminta synnyttää primäärivirtaa lähinnä ao. solussa ja sen välittömässä läheisyydessä kun taas tilavuusvirta kulkee kaikkialla johteessa. Paikantamalla primäärivirtaa paikannamme siis aivotoimintaa.

Mikäli ilmiötä tarkastellaan solutasolla, voidaan puhua pakkovirrasta Ji (impressed current). Pakkovirran ja primäärivirran määritelmät ovat matemaattisesti identtiset; johtavuus on nyt vain määritelty mikroskooppisella resoluutiolla. Elektrolyytissä pakkovirta on diffuusiovirtaa:

Ji(r) º  J(r)—s(r)E(r) = JD(r) = —|e|kzkDkck(r) , (9)

missä e on elektronin varaus, summa käy yli kaikkien ionilajien, ck on ionin k konsentraatio, zk valenssi ja Dk diffuusiovakio. Kirjallisuudessa väitetään usein, että pakkovirta rajoituu solukalvolle, mutta myös elektrolyytissä on ionien konsentraatioeroja ja siten pakkovirtaa.

Virtadipoli

Virtadipoli koostuu nielusta ja lähteestä, joita yhdistää aktiivinen virtajohdin. Johtimen sisältämä generaattori "pumppaa" varausta nielusta lähteeseen, josta sähkövirta kiertää virtadipolin ulkopuolelta johtavaa väliainetta myöten takaisin nieluun. Virtadipolilla on suunta ja suuruus: Q = I d, missä I on virta nielusta lähteeseen ja d on lähteen ja nielun paikkavektoreiden erotus. Ideaalinen, pistemäinen virtadipoli saadaan, kun annetaan I:n kasvaa ja d:n pienentyä rajatta siten, että Q pysyy vakiona.

Jos aivoissa pienellä (neliömillimetrien) alueella on yhdensuuntaista primäärivirtaa, voidaan tämä kuvata hyvin yhdellä virtadipolilla Q = Jpdv’. Kuvassa 30 on kaavamaisesti esitetty yhden synapsin ja dendriitin muodostama virtakuvio, jota voidaan approksimoida virtadipolilla.

Suora ongelma

Aivotoimintaan liittyviä sähkö- ja magneettikenttiä tulkittaessa ollaan ensisijaisesti kiinnostuneita primäärivirtajakaumasta. Tulkintaa varten on ensin hallittava ns. suora ongelma: annetusta lähdevirtajakaumasta on laskettava E ja B, kun tunnetaan johtavuus lähdealueella. Kuten edellä todettiin, voimme käyttää kvasistaattista approksimaatiota, jolloin Maxwellin yhtälöt saavat muodon

 · E = r(r)/eo (10)

 x E = 0 (11)

 · B = 0 (12)

 x B = mo [Jp(r) + s(r)E(r)] (13)

Solujen toiminta siis määrää primäärivirran Jp(r). Lisäksi todettakoon:

  1. Jp(r) siirtää varausta (yhdessä Jv:n kanssa), joten r(r) muuttuu

(r(r)/t = —·J).

2) r(r) määrää E:n, joka taas aiheuttaa volyymivirran Jv(r) s(r)E(r).

3) Jp(r) + Jv(r) synnyttää magneettikentän.

Näyttäisi siis siltä, että B on vaikeampi laskea kuin E, sillä B:n laskemiseksi on otettava huomioon E. Yleisessä tapauksessa näin onkin, mutta joissakin ihmispään geometriaan soveltuvissa erikoistapauksissa magneettikenttä voidaan laskea vaivattomammin.

Ratkaisemme B:n Jp(r):n funktiona ryhmästä (10—13). Ampèren ja Laplacen ratkaisu jatkuvan virtajakauman synnyttämälle magneettikentälle on

B(r) = (mo/4p) J(r’)´ R/R3 dv’ , (14)

missä R=rr’; pilkutus viittaa integrointiin lähdealueen yli.

Sovellamme nyt vektori-identiteettiä R—1 = R/R3, missä ’ = ex/x + ey/y’ + ez/z’:

B(r) = (mo/4p) J(r’)´ R—1 dv’ (15)

Koska J´ R—1 = (´ J) /R´ (J/R),

B(r) = (mo/4p) [(´ J)/R dv’— ´ (J/R) dv’] (16)

Jälkimmäinen integraali voidaan muuttaa pintaintegraaliksi, joten se antaa nollan, kun virta ei läpäise integrointialueen pintaa. Sijoitetaan kaavaan (16) ´ J = ´ Jp - —s´V, missä V on potentiaali (E = -—V):

B(r) = (mo/4p) [(´ Jp)/R dv’— (s´V)/R dv’]

= (mo/4p) [(´ Jp)/R dv’+ (´ Vs)/R dv’]

= (mo/4p) [´ (Jp+K)]/R dv

= (mo/4p) (Jp+K)´ R/R3 dv’ , (17)

missä on käytetty sekundäärivirran määritelmää K=Vs. Sekundäärivirta on vain laskennallinen apuväline; se ei ole todellista virtaa. Magneettikenttä voidaan siis laskea Ampère-Laplacen kaavalla, jos virtatiheydeksi otetaan primäärivirran ja sekundäärivirran summa. Sekundäärivirran laskemiseksi tarvitaan kuitenkin potentiaali paikan funktiona siellä, missä johtavuus ei ole vakio (kuten homogeenisten alueiden rajapinnoilla).

Potentiaalin laskemiseksi nablaamme primäärivirtakehitelmää:

·J(r) = ·(JP-s—V) = ·JP - —s—V—s—2V. Maxwellin yhtälön xB =moJ perusteella ·J(r) = 0, sillä mielivaltaisen funktion roottorin divergenssi häviää (·´ F=0). Siis

·JP - —s V—s—2V = 0, (18)

2V = s—1(—·JP - —s—V). (19)

Yhtälölle (19) löytyy ratkaisu:

V(r) = (4s)—1[’·(Jp+K)]/R dv

= (4s)—1[(Jp+K)·R]/R3 dv’ . (20)

Potentiaali V(r) joudutaan yleensä laskemaan iteratiivisesti, koska se esiintyy yhtälön (20) molemmilla puolilla.

Suora ongelma: erikoistapauksia

1. Homogeeninen väliaine

Mikäli s = 0 kaikkialla,

V(r) = (4s)—1(’·Jp)/R dv’ (21)

B(r) = (mo/4)(´ Jp)/R dv (22)

EEG:llä nähdään siis ’·Jp ja MEG:llä ´ Jp. Voimme tehdä jaon Jp=JI+JS (I= Irrotational, S= Solenoidal) siten, että ’·JS = 0 ja ´ JI=0; EEG:llä nähdään siis vain JI ja MEG:llä JS,, joten näillä eri tekniikoilla saadaan toisistaan riippumatonta informaatiota. Osoittautuu, että tämä johtopäätös pätee homogeenisen johtavuusmallin lisäksi myös mm. pallomalliin (jossa johtavuus on vain säteen funktio).

 

Jos kaavoihin (20) ja (17) sijoitetaan pistemäinen primäärivirtajakauma

Jp(r) = Qd (rrQ) eli virtadipolin virtajakauma, saadaan:

V(r) = (4s)—1Q·R/R3 (23)

B(r) = (mo/4)Q´ R/R3 (24)

Kuva 31 esittää kaavamaisesti virtadipolin sähkö-ja magneettikenttiä.

2. Puoliääretön homog. johde [s(r) = so , z<0; s (r) = 0, z>0]

Magneettikenttä voidaan laskea kaavalla (22), sähkökenttä johteen sisällä (z<0) ja pinnalla voidaan laskea kaavalla (21), mikäli johteen sisällä olevan virtajakauman lisäksi kaavaan otetaan peilivirtajakauma Jp(x,y,z)) = Jp(x,y,—z). Rajapinnan vaikutuksesta pinnalla oleva potentiaali on siis kaksinkertainen verrattuna homogeenisen avaruuden malliin nähden (kun potentiaali äärettömyydessä oletetaan nollaksi).

3. Sylinterisymmetria

Mikäli johde ja virtajakauma yhdessä ovat sylinterisymmetrisiä, ei johteen ulkopuolelle synny magneettikenttää (Kuva 32).

4. Pallomalli [s(r) = s(r), r<ro; s (r) = 0, r>ro]

Tämä on sylinterisymmetrian erikoistapaus; kaikki pallon keskipisteen kautta kulkevat suorat ovat sylinterisymmetria-akseleita. Täten virtajakauma, joka syntyy radiaalisesta virta-alkiosta, ei synnytä pallon ulkopuolista magneettikenttää. Tangentiaalisen primäärivirtaelementin synnyttämälle magneettikentälle voidaan kehittää lauseke lisäämällä systeemiin kaksi radiaalista virtaelementtiä siten, että lähteet ja nielut kumoutuvat. Jäljelle jää kolmiomainen virtasilmukka, jonka magneettikenttä voidaan laskea suoraviivaisesti (Kuva 33).

5. Monikerrosmallit

Pään johtavuusrakennetta voidaan approksimoida esim. pallosymmetrisellä kolmikerrosmallilla, jossa sisimpänä on aivoja kuvaava homogeeninen pallo (johtavuus esim. s0 = 0.3 W —1m—1), sen päällä homogeeninen kallo (s gs0, g 0,01…0,1) ja päällimäisenä päänahka (s s0 ). Monikerrosmalleille on kehitetty sarjamuotoisia kaavoja Jp:n aiheuttaman potentiaalin laskemiseksi. Magneettikenttä saadaan pallomallin kaavoilla.

6. Homogeeninen realistisen muotoinen malli

Koska kallo on huonosti johtava, virtatiheys siinä ja päänahassa on pieni. Täten aivotoiminnan magneettikenttä syntyy lähinnä kallon sisäpuolella olevista virroista. Magneettikenttä voidaankin laskea melko tarkasti ottamalla johdemalliksi homogeeninen kallon sisätilan muotoinen johde. Potentiaalin laskemiseksi tämä on huono malli, sillä kallon ja päänahan detaljit vaikuttavat oleellisesti potentiaalijakaumaan pään pinnalla.

Käänteinen ongelma

Oletetaan pään johtavuus tunnetuksi (johtavuusmalli) ja sähkömagneettinen kenttä mitatuksi tunnetuissa paikoissa olevilla magnetometreillä ja elektrodeilla. Käänteinen ongelma on laskea primäärivirtajakauma saatujen mittaustulosten perusteella.

Helmholtz todisti jo 1850-luvulla, että vaikka sähkö- ja magneettikentät tunnettaisiin tarkasti kaikkialla lähdealueen ulkopuolella, on mahdotonta yksikäsitteisesti määrätä kenttiä synnyttäneitä primäärivirtoja. Käänteisellä probleemalla on äärettömän montä ratkaisua. Kuitenkin on selvää, että mitatut kentät kertovat jotakin aivotoiminnasta. Tämä käänteinen ongelma voidaan "ratkaista" kahdella hyvin erilaisella tavalla: joko lähdemallien avulla tai määrämällä parhaita estimaatteja.

1. Lähdemallit

Jos voimme olettaa, että primäärivirtajakauma ei ole mielivaltainen vaan se voidaan kuvata pienellä joukolla parametrejä, voidaan käänteinen ongelma usein ratkaista. Yleisin lähdemalli on dipolimalli, jota käytettäessä oletetaan, että koetilanteesa on aktivoitunut tietyllä ajanhetkellä ainoastaan yksi pieni alue aivokuoresta. Tällaisen aktivaation synnyttämää primäärivirtajakaumaa voidaan kuvata yksittäisellä virtadipolilla. Virtadipolilla on kolme paikkakoordinaattia ja kolme dipolikomponenttia. Nämä tuntemattomat voidaan määrätä hakemalla esimerkiksi pienimmän neliösumman menetelmällä sellainen dipoli, joka parhaiten selittää mittaustulokset. Näin saatua dipolia kutsutaan ekvivalentiksi dipoliksi.

Mikäli emme voi etukäteen olettaa, että koeasetelmamme aktivoi vain yhtä aivojen pientä aluetta, dipolimalli voidaan joutua korvaamaan kahden tai useamman dipolin mallilla. Monidipolimallit ovat kuitenkin kovin herkkiä mittausten epätarkkuuksille.

2. Parhaat estimaatit

Nykyään on kehitteillä estimointiteoriaa hyväksikäyttäviä lähestymistapoja käänteisen ongelman ratkaisemiseksi, joissa yleisesti ottaen pyritään konstruoimaan sellainen primäärivirtajakauma, joka jossain tarkoin määritellyssä mielessä olisi paras. Mikäli parhaaksi virtajakauman estimaatiksi määritellään sellainen, jonka virheen normin (kts. kaavat 25 ja 26) odotusarvo on mahdollisimman pieni, ratkaisu on ns. miniminormiestimaatti. Miniminormiestimaatin niinkuin yleensäkin käänteisen probleeman ymmärtämistä helpottaa virta-avaruuden käsite.

Virta-avaruus

Primäärivirtajakauma Jp(x,y,z) voidaan esittää lukujoukkona Jp, johon kuuluu primäärivirtatiheyden kolme komponenttia Ja(a=x,y,z) kussakin lähdevirta-alueen V’ pisteessä, Jp = {Ja(r’)|a=x,y,z; rÎ V’}. Koska pisteitä on jatkuva jakauma, on Jp ääretön joukko; sitä voidaan pitää ääretönulotteisena vektorina.

Virta-avaruus on kaikkien mahdollisten (neliöintegroituvien) Jp -vektoreiden joukko. Virta-avaruudessa määritellään sisätulo vektoreiden J1 ja J2 välillä normaaliin tapaan:

(J1, J2) = J1(r’)·J2(r’) dv’ (25)

Virtavektorin Jp normi (vektorin pituus) on sen sisätulo itsensä kanssa potensiin 1/2:

||Jp|| = (Jp, Jp)1/2 (26)

Kun aivot toimivat, Jp muuttuu ajan funktiona sen mukaan, mitkä synapsit milläkin hetkellä toimivat ja missä kulkee aktiopotentiaaleja. Jp:tä voidaan pitää varsin tarkkana kuvauksena aivojen sähköisestä toiminnasta. Oleellista kannaltamme on se, että kukin potentiaalimittaus tai magneettikenttämittaus antaa projektion Jp:stä mittalaitteen ja johdegeometrian määräämälle kytkentäkentälle (Kuva 34).

Jonkin sähköisen tai magneettisen mittalaitteen i kytkentäkenttä Lj on sen herkkkyyskuvio primäärivirralle. Kytkentäkenttä on vektorisuure ja paikan funktio. Mitä suurempi se on jossain aivojen pisteessä, sitä suuremmalla painolla mittarimme näkee primäärivirtaa tuossa paikassa.

Tässä kytkentäkentän määritelmä MEG-anturille j ja EEG-anturille i:

Bi = Li(r’)·Jp(r’) dv (27)

Vj = Lj(r’)·Jp(r’) dv (28)

Siis sekä magneettinen että sähköinen mittaus antaa painotetun summan (integraalin) primäärivirrasta. Painokerroin riippuu paikasta r’ ja kussakin paikassa vain kytkentäkentän suuntainen primäärivirtakomponentti näkyy.

Virta-avaruusnotaatiolla yhtälöt (27) ja (28) ovat seuraavanlaiset:

Bi = (Li, Jp) (29)

Vj = (Lj, Jp) (30)

Jos MEG- ja EEG-kanavia on N kpl, saadaan virtavektorista yhtä monta projektiota. Muista virtavektorin komponenteista (niistä joita ei mitata) mittaus ei tietenkään kerro mitään.

Miniminormiestimaatti saadaan, kun asetetaan nolliksi ne Jp:n komponentit, joita ei mitata. Ratkaisun normi on pienin sellaisten virtavektorin normeista, jotka selittävät mittaustulokset. Jos estimaattia halutaan tästä tarkentaa, on otettava käyttöön lisäinformaatiota. Tällaiseksi käy esim. tieto siitä, että primäärivirta on merkittavasti nollasta poikkeavaa vain korteksilla. Tällöin täytyy tietysti tietää aivokuoren kolmidimensioinen muoto. Magneettinen resonanssikuvaus ("magneettikuvaus") eli ydinspin-kuvaus (MRI eli NMR-kuvaus) antaa riittävän tarkkaa anatomista tietoa harmaan aineen jakauman rekonstruoimiseen. Tavoitteena virtaestimaattien kehittämisessä on tietysti järjestelmä, jolla saadaan kolmidimensioinen graafinen esitys aivojen primäärivirtajakaumasta.

Yhteenveto sähkö- ja magneettikenttien käsittelystä voi todeta seuraavaa:

1) Kukin mittauskanava (elektrodi tietyssä päänahan pisteessä, magnetometri pään ulkopuolisessa pisteessä) antaa painotetun summan aivojen eri alueiden aktiivisuudesta (primäärivirtajakaumasta).

2) Jos mittauskanavia on enemmän kuin lähdemallissa tuntemattomia, voidaan virtajakaumaa kuvaavat tuntemattomat parametrit hakea minimoimalla mitattujen ja laskettujen kenttäarvojen erotusten neliösumma.

3) Pallomallin tapauksessa magneettikenttä on helppo laskea tietokoneella primäärivirrasta. Tulos ei riipu pallon säteestä eikä siitä, miten johtavuus muuttuu syvyyden funktiona.

4) Pallomaisen monikerrosrakenteen (sipulirakenteen) tapauksessa myös sähkökenttä on helppo laskea.

5) Radiaalinen primäärivirtaelementti pallomaisessa päässä ei synnytä pään ulkopuolista magneettikenttää. Magnetoenkefalografialla (MEG) nähdään siis lähinnä tangentiaalisia primäärivirtoja.

6) Potentiaalimittauksilla nähdään sekä tangentiaalisia että radiaalisia primäärivirtoja. Käytännössä elektroenkefalografisia (EEG) mittauksia on kuitenkin vaikeampi tulkita kuin magneettisia, sillä kallon ja päänahan johtavuuksien yksityiskohdat vaikuttavat oleellisesti EEG:hen.

Sähkökentän lähteet aivokuorella

Kun solukalvon kanavat avautuvat ja kalvon läpi virtaa ioneja, muuttuu solunsisäisen potentiaalin lisäksi solukalvon ulkopinnan potentiaali, mutta vastakkaiseen suuntaan. Solun sähköistä toimintaa voidaan täten mitata myös solun ulkopuolelta; tähän tarvitaan kaksi mikroelektrodia, joista ainakin toinen on tuotava solun läheisyyteen.

Aivokuoren sähköistä toimintaa mitataan usein myös aivojen pinnalle asetettavilla elektrodeilla. Tällöin puhutaan elektrokortikografiasta (electrocorticogram = ECoG). ECoG-mittaus on herkkä soluille, jotka ovat parin millimetrin säteellä elektrodista. Erityisen hyvin nähdään aivokuoren sisäosissa olevien pyramidisolujen sähköinen toiminta. Näiden suurien hermosolujen apikaaliset (korteksin pinnan puoleiset) dendriitit ovat kohtisuorassa korteksin pintaa vastaan ja siten yhdensuuntaisia keskenään. Täten eri solujen potentiaalimuutokset aiheuttavat samansuuntaisen sähkökentän ja monen solun yhteinen summakenttä on helppo havaita. Hermosolu voi reagoida tulevaan synapsiärsytykseen joko eksitatorisella postsynaptisella potentiaalilla (EPSP), joka siirtää solukalvon tilaa kohti aktiopotentiaalin laukeamista, tai inhibitorisella postsynaptisella potentiaalilla (IPSP), joka pienentää aktiopotentiaalin laukeamistodennäköisyyttä.

Aivokuoren sisäistä toimintaa voidaan tutkia paitsi yksikkösolurekisteröinnein, myös työntämällä esim. 15 elektrodin sarja aivokuoren läpi. Mitattavat potentiaalit syntyvät hermosoluihin EPSP:n aikana virtaavista ioneista ja IPSP:n aikana soluista poistuvista varauksista, jotka vaikuttavat aivojen pinnalta mitattavaan sähkökenttään. Näitä ionivirtoja voidaan arvioida ns. virtatiheysanalyysin avulla.

Virtatiheysanalyysin suorittamiseksi on yleensä oletettava, että aivokuori aktivoituu tutkittavalta alueelta yhtenäisesti. Tällöin V/x = V/y = 0, missä V on sähköinen potentiaali ja x ja y ovat korteksin pinnan suuntaiset koordinaattiakselit. Elektrodisarjalla mitataan V(z), josta saadaan sähkökenttä E = —V= —V/z ez, ja J = sE = —s—V. Koska virran lähteet voidaan laskea kaavasta · J = I, saadaan selville ionien aiheuttama virtaustiheys soluista, I = · (—s—V). Kun johtavuus oletetaan vakioksi, saadaan I = s—2V = s2V/z2. Suuretta I = I(z) kutsutaan lähdevirtatiheydeksi.

Ongelmallista on, että EPSP:hen liittyvä virtanielu aina synnyttää myös passiivisen virtalähteen ja IPSP:hen liittyvä aktiivinen virtalähde myös passiivisen virtanielun. Aktiivisten ja passiiviste nielujen ja lähteiden erottaminen yksinkertaisella tekniikalla on mahdotonta; tarvitaan lisätietoa aivokuoren rakenteista ja/tai aktiviteetin manipulaatiota esim. lääkeaineilla tämän eron selvittämiseksi. Tällaisten kokeiden perusteella katsotaan, että virtanielut yleensä liittyvät aktiiviseen EPSP:hen ja että virtalähteet ovat passiivisia. Kuitenkin vaikkapa epilepsiapiikkien yhteydessä syntyvät virtalähteet saattavat johtua aktiivisesta inhibitiosta. Virtalähdetiheysanalyysi antaa näköaivokuorella yleensä perin samanlaisen aivokuoren sisäisen lähde—nielujakauman eri ärsykkeille ja myös näköratojen sähköiselle ärsytykselle; vain aikakäyttäytyminen poikkeaa eri ärsykkeiden välillä. On arveltu, että aivokuoren toiminta eri kerroksissa etenisi stereotyyppisesti suunnilleen samassa järjestyksessä.

Elektroenkefalografia (EEG)

Pään pinnalle asetettujen elektrodien välillä vaihtelevan jännitteen rekisteröintiä kutsutaan elektroenkefalografiaksi. Jänniteheilahdusten kesto ja amplitudi vaihtelevat pään eri osissa tajunnan ja muun aivotoiminnan mukaan. Mittaahan elektrodipari aivotoimintaa kuvaavan primäärivirtajakauman yhtä projektiota (kts. kuva 34) . Kuva 35 esittää elektrodien paikkoja kansainvälisen 10—20-järjestelmän mukaan. Parittomat numerot ovat vasemmalla, parilliset oikealla. Jos tavoitteena on kartoittaa potentiaali paikan funktiona, voidaan elektrodit asettaa mielivaltaisiin paikkoihin, kunhan antureita on riittävän tiheässä ja tiedetään missä mikin elektrodi on ollut.

EEG-aaltojen perustana ovat hermosolujen sähköilmiöt. Vaikuttaa siltä, että pään pinnalta rekisteröitävissä olevat kortikaaliset jänniteheilahdukset syntyvät lähinnä aivokuoren solujen postsynaptisten potentiaalien summana. Aktiopotentiaalin primäärivirta on kvadrupolaarinen (kaksi vastakkaista dipolia), joten sen aiheuttamat kentät pienenevät nopeasti etäisyyden funktiona. Koska yksittäinen PSP synnyttää vain suuruusluokkaa 10—14 Am olevan virtadipolin, tuhansien synapsien on aktivoiduttava synkronisesti, jotta ilmiö nähtäisiin EEG:ssä.

Erilaiset aaltomuodot

EEG:n taajuusalue on noin 1–50 Hz; jänniteheilahdusten amplitudi on 5–300 mV. Kun normaalihenkilö lepää hiljaisessa huoneessa valveilla silmät suljettuina, havaitaan signaali, joka käsittää noin kymmenen heilahdusta sekunnissa. Tämän alfarytmin suurin amplitudi voidaan mitata päälaen- ja takaraivolohkoilla. Aistihavaintojen, etenkin näköärsykkeiden ja henkisten suoritusten yhteydessä alfarytmi häviää ja esiin tulee korkeampi taajuus, betarytmi (13–25 Hz), jolloin EEG:n amplitudi selvästi pienenee (Kuva 36). Normaalihenkilöiden elektroenkefalogrammissa esiintyy harvoin hitaampia vaihteluja kuin alfa-aallot. Jos sellaisia näkyy valveilla olevilla henkilöillä (paitsi vastasyntyneillä), voi se olla merkki aivosairaudesta tai aivovauriosta. Hitaampia rytmejä kutsutaan nimillä thetarytmi (3,5–7 Hz) ja deltarytmi (0,5–3,5 Hz). Kuvassa 37 näkyy eräitä esimerkkejä.

 

Elektroenkefalografiassa havaittavien rytmisten toimintojen, kuten alfarytmin, ns. unisukkuloiden, unen aikaisten hitaiden aaltojen sekä valveeseen ja paradoksiseen uneen liittyvän desynkronisaation syntyä on viime vuosina selvitelty innokkaasti. Monet oskillaatiot perustuvat talamuksen ja aivokuoren väliseen vuorovaikutukseen.

Vireystilaa säätävät tumakkeet ohjaavat talamussolujen sisäistä tilaa, joka puolestaan vaikuttaa aivokuoren toimintaan; talamus ei ole pelkkä väliasema vaan tärkeä ohjausyksikkö. Talamuksen neuronien kalvojännitteen oskillaatiot synnyttävät aivokuoren solujen unelle tyypilliset hitaat heilahtelut. Talamussolujen tasainen kalvojännite, joka liittyy tehostuneeseen synaptiseen transmissioon, taas luonnehtii valvetilaa. Solukalvon polarisaatioasteen vaihtelu voi siirtää talamussolun oskillatorisesta tilasta transmissiotilaan vaikuttamalla kalvon ionikanaviin. Korkeampitaajuiset oskillaatiot (40 Hz:n luokkaa) näyttävät olevan vaikuttamassa, kun eri soluryhmien havaintoja samasta esineestä tai asiasta yhdistetään aivokuorella. Myös nämä oskillaatiot saattavat syntyä solujen ionikanavien spesifisten ominaisuuksien johdosta, mahdollisesti kuitenkin vasta aivokuorella.

Toisaalta on todettu, että suuret neuronijoukot pyrkivät toimimaan synkronisesti silloinkin, kun yhteydet talamukseen on katkaistu.

EEG-kartoitus

Lääketieteellisessä diagnostiikassa olisi erittäin hyödyllistä, jos EEG-mittauksilla voitaisiin päätellä, mistä aivojen kohdasta havaittu signaali on peräisin. Kovin hyvään paikkaresoluutioon ei ole päästy, koska EEG-signaalien kunnollinen tulkinta vaatisi tarkkaa kallon ja päänahan johtavuusgeometrian tuntemista.

Elektroenkefalografia on tärkeä tutkimusmenetelmä sellaisten aivosairauksien diagnostiikassa, jotka aiheuttavat kohtauksittaisia aivosähköpurkauksia, kuten epilepsia ja aivokasvaimet. Kallon iholta voidaan usein rekisteröidä piikkiaaltopotentiaaleja, joiden esiintymispaikka ja tyyppi kertovat patologisen toiminnan sijainnista ja luonteesta.

Herätepotentiaalit

Herätepotentiaali (evoked potential) tarkoittaa jänniteheilahdusta, joka voidaan rekisteröidä sähköisesti aistinelinten, ääreishermojen tai keskushermoston ratojen ärsytyksen seurauksena. Tarkempi nimitys olisi herätejännite, sillä käytännössä aina mitataan potentiaalieroja elektrodien välillä. Latenssilla tarkoitetaan yleensä aikaa ärsykkeen antamisesta hetkeen, jolloin jänniteheilahdus saavuttaa maksiminsa. Latenssiaikaan kuuluu johtumisaika ärsytyskohdasta tutkittavalle aivoalueelle, synaptiset viiveet mukaan lukien; lisäksi siihen vaikuttaa kohdealueen aktiivisuuden nousuaika, joka voi olla kymmeniä millisekunteja. Herätejännitteiden avulla voidaan tutkia eri hermoratojen toimintaa; niitä käytetään myös aivokuoren aistinalueiden kartoitukseen.

Herätepotentiaalien havaitsemista vaikeuttaa aivojen spontaani toiminta. Tämän vuoksi sama koetilanne on toistettava lukuisia kertoja ja saadut signaalit laskettava yhteen, jolloin herätevaste tulee kohinan seasta näkyviin. On vain pidettävä huoli siitä, että koehenkilön mielenkiinto tehtävään säilyy toistoista huolimatta.

Herätepotentiaalin ns. N100, joka näkyy Negatiivisena heilahduksena päälaen ja korvaelektrodin välillä noin 100 ms ärsykkeen jälkeen, saadaan helposti esiin mm. valonvälähdyksen, äänimerkin tai neulanpiston avulla. Tarkka viive herätteen antamisesta ja heilahduksen amplitudi riippuvat ärsykkeen laadusta.

Eräät herätepotentiaalit mittaavat aivorungon tumakkeitten toimintaa (esim BAEP; Brainstem auditory evoked potentials 1–10 ms ärsykkeestä), toiset ärsykkeen fysikaalisten piirteiden aiheuttamaa aivokuoriaktivaatiota (esim keskilatenttiset vasteet 10–50 ms ärsykkeestä), ja osa (n. 150 ms eteenpäin) koehenkilön sisäisestä tilasta riippuvaa vastetta kuhunkin ärsykkeeseen.

Unitila

Kun nukkuva ihminen tai esim. kissa herätetään, häviää hidas, ns. unisukkularytmi EEG:stä ja desynkronoituu matala-amplitudiseksi nopeaksi toiminnaksi. Ilmiötä kutsutaan herätysreaktioksi, joka esiintyy myös silloin kun valveilla olevalle henkilölle esitetään äkkiä uusi ärsyke, esim. kova ääni tai valonvälähdys. Tähän ilmiöön liittyy normaalissa käyttäytymisessä havaittava suuntautumisreaktio, jonka avulla pyritään selvittämään ärsykkeen aiheuttaja ja suuntaamaan katse sitä kohti. EEG-toiminta säilyy desynkronoituneena (korkeataajuisena) tarkkaavan valvetilan ajan.

Unen luokitus

Unessa esiintyy eri syvyisiä vaiheita, joiden kuluessa tajunnan taso ja refleksien laukaisemiseen tarvittavien ärsykkeiden voimakkuus vaihtelevat ja herättäminen on helpompaa tai vaikeampaa. Lihasjännitys vaihtelee; syvässä unessa se puuttuu kokonaan. Uni on yksi vireystilojen luokka.

EEG:llä rekisteröity uni luokitellaan viiteen eri tilaan:

I) EEG:ssä esiintyy matalaa epärytmistä toimintaa

II) ilmaantuu 12–15 Hz:n sukkuloita, theta- ja delta-aaltoja

III) delta-aaltoja 20–50%

IV) delta-aaltoja yli 50%

V) Paradoksinen uni (PS) jossa lihasjännitys katoaa ja esiintyy nopeita silmänliikkeitä (REM). EEG:ssä on beta-aktiviteettia ja pulssi sekä hengitys ovat epäsäännölliset.

Unen tehtävät

Kaikille selkärankaisille on ominaista valveillaolon ja unen rytminen vaihtelu. Arvellaan, että univaihe on välttämätön aivojen toiminnalle, jotta valveillaolon aikana kulutetut hermoston kannalta keskeisten aineiden varastot voitaisiin uusia. Tähän liittyen unen on esitetty edesauttavan muistijälkien kiinteytymistä, viettipaineiden purkautumista, ylimääräisten muistijälkien unohtamista, geneettisesti ohjelmoitujen käyttäytymiskaavojen ylläpitoa, aivojen kehittymistä tai informaation käsittelyä. Aivojen hapenkulutus pysyy korkeana myös unen aikana.

Unen estäminen aiheuttaa uneliaisuutta, suorituskyvyn laskua, hämärätiloja ja mikrounia. Hitaan unen, erityisesti IV asteen unen, on katsottu liittyvän kasvuun ja energiavarastojen uusiutumiseen. Kasvuhormonin määrä hitaan unen aikana kohoaa, kortisolin laskee. Ruumiillinen rasitus ja esim. saunominen lisäävät IV-asteen unta. Paradoksisen unen estäminen aiheuttaa lisääntyneen PS-määrän seuraavalle vuorokaudelle.

Magneetti- ja sähkökenttien vaikutus aivoihin

Aivotoiminta synnyttää magneetti- ja sähkökenttiä. Viime aikoina on yleinen mielenkiinto kohdistunut lisääntyvässa määrin käänteiseen kysymykseen: vaikuttavatko sähkö- ja magneettikentät aivoihin? Mitään pitäviä todisteita sähkölinjojen ja sähkölaitteiden sähkömagneettisten kenttien riskeistä ei ole esitetty. Sen sijaan on tullut yhä selvemmäksi, että ainakaan heikot pientaajuiset magneettikentät (esim. voimalinjojen kentät) eivät ole vaarallisia.

Varmin tapa vastauksen löytämiseksi on tutkia kysymystä sekä kokeellisesti että teoreettisesti. Voimme teoreettisesti arvioida, millaisia ja kuinka suuria vaikutuksia ulkoisesti synnytetyillä sähkö- ja magneettikentillä on biologiseen kudokseen. Toisaalta taas on tehty lukuisia kokeita em. kenttien vaikutuksien selvittämiseksi.

Sähköshokkihoito

Italiassa yhdistettiin 1930-luvulla kaksi havaintoa. Ensinnäkin syvästi depressiiviset potilaat, joilla oli myös epilepsia, pääsivät masennuksestaan epilepsiapurkauksien seurauksena. Toiseksi, sähköllä tainnutetut siat saattoivat sähköiskun seurauksena saada samanlaisia kouristuksia kuin epilepsiapotilaat. Niinpä heräsikin kysymys, voitaisiinko depressiopotilaita auttaa sopivan voimakkailla sähköpulsseilla, joilla aiheutetaan epilepsiatyyppinen hermoston kohtausaktiviteetti. Vastaus on kyllä. Alkuvaiheessa sähköshokkihoitoa käytettiin runsaasti eri potilasryhmissä (muita hoitomuotoja oli vähän), mutta lääkehoidon ja kokemuksen karttuessa kohderyhmäksi ovat valikoituneet erityisesti vaikeasta masennuksesta tai katatonisesta skitsofreniasta kärsivät henkilöt. Jälkimmäiset potilaat saattavat jähmettyä paikoilleen jopa tunneiksi, jolloin shokkihoito nopean tehonsa takia voi jopa pelastaa hengen. Hoito annetaan ei-dominantille aivopuoliskolle, lihaksiston kouristelu estetään lääkityksellä ja samalla seurataan EEG:stä, että aivojen purkauksellinen aktiviteetti todella saadaan aikaan. Hoitosarjaa jatketaan sopivilla lääkkeillä.

Sähköshokkihoito (samoin kuin masennuslääkityskin) muuttaa katekoliamiinireseptorien määrää aivoissa ja lisää serotonergisen järjestelmän toimintaa. Lääkityksellä nämä muutokset syntyvät vasta muutaman viikon kuluttua. Sähköshokit lisäävät myös beetaendorfiinien vapautumista ja dopaminergisen järjestelmän aktiivisuutta eräillä aivoalueilla.

Aivokuoren stimuloiminen

Yksi tapa tutkia signaalien etenemistä motoriselta aivokuorelta kohti periferiaa on stimuloida korteksia sähköisesti tai, kuten viime vuosina on opittu tekemään, magneettisesti. Sähköinen ärsyke annetaan kahdella elektrodilla, jotka on kiinnitetty päänahkaan lähelle motorista aivokuorta. Käytetyt virrat ovat nyt huomattavasti pienemmät kuin sähköshokkihoidossa, mutta kuitenkin niin suuret, että saadaan aikaan lihastoimintaa. Synnytetty sähkökenttä siis aktivoi motorisen aivokuoren hermosoluja.

Sähköisen hermostimulaattorin ongelmana on, että elektrodin kohdalla ihon hermopäätteet saavat kaikkein suurimman ärsytyksen, joten toimenpide on kivulias. Magneettinen stimulaatio onkin edullisempi juuri siksi, että ihoon ei tarvitse kiinnittää mitään ja indusoitunut sähkökenttä ihossa jää yleensä alle tuntokynnyksen. Magneettisen stimulaattorin vaikutus perustuu sähkökenttään, jonka muuttuva magneettikenttä saa aikaan. Kuvassa 38 on HYKSin BioMag-laboratoriossa kehitetty stereotaktinen stimulaattori, jonka aiheuttamia aivojen vasteita voidaan mitata monikanava-EEG:llä.

Magneettikentän vaikutus kudoksiin

Magneettistimulaattoreissa ulkoinen magneettikenttä vaikuttaa kudokseen indusoimalla siihen sähkökentän Maxwellin yhtälön  x E = —B/t mukaisesti (kuva 39). Kondensaattorin purkautuessa kulkee silmukassa tuhansien ampeerien virta; tyypillinen magneettikenttä on tällöin teslojen suuruinen. Tärkeämpi kuin kentän voimakkuus on kuitenkin B/t, joka on tyypillisesti suuruusluokkaa 10 kT/s, jolloin sähkömotorinen voima (r = 2 cm) on luokkaa E = pr2B/t/(2pr) = 100 V/m.

Induktion vaikutuksia voidaan siis havaita ja käyttää myös hyväksi, kunhan kentät ovat riittävän voimakkaita. Suuruusluokkien arvioimisen tärkeyttä kuvaavat ns. ihomagneetit, joita on ollut myytävänä jopa apteekeissa (!). Eräs esite väitti, että ihomagneettien teho perustuu lämmitysvaikutukseen veren virratessa staattisessa magneettikentässä. Virtaavaan vereen todellakin indusoituu sähkövirtaa ja ohmiset häviöt synnyttävät lämpöä, mutta suuruusluokka-arvio osoittaa tehojen olevan mitättömiä, vain pikowattien luokkaa. Edes tätä tehoa ei saada ihoa lämmittämään, sillä lisävastus verisuonissa pienentää veren virtausta–vaikkakin olemattoman vähän– joten itse asiassa vaikutus onkin lihasta jäähdyttävä.

Ajasta riippumaton magneettikenttä aiheuttaa voiman liikkuviin varauksiin, muuttaa atomien ja molekyylien energiatiloja, magnetoi materiaalia sekä aiheuttaa magnetoituviin kappaleisiin voimavaikutuksen. Nämä vaikutukset ovat kuitenkin erittäin vähäisiä. Edes teslan staattisella kentällä ei ole tunnettuja haitallisia tai hyödyllisiä seurauksia. Vertailun vuoksi todettakoon, että maan magneettikenttä on 50 mT:n luokkaa; laboratorion sähkölaitteiden synnyttämät kentät taas korkeintaan 1 mT:n suuruisia. Jos näillä kentillä on merkitystä, vaikutus tullee indusoidusta sähkökentästä, ei suinkaan magneettikentästä. Tällöinkin ollaan kuutisen kertaluokkaa pienemmissä kenttäarvoissa kuin mitä käytetään koehenkilöitä stimuloitaessa. Erilaisiin tiedotusvälineissä kiinnostusta herättäneisiin tutkimuksiin esimerkiksi tietokoneen kuvaputkien synnyttämien kenttien terveysvaikutuksista on siis suhtauduttava varauksella. Monissa alan töissä ei ole otettu huomioon, että päätteen äärellä istumisella voi olla muitakin vaikutuksia kuin sähkömagneettiset kentät. Silmät saattavat rasittua, istuma-asento voi olla huono tai työ on muuten rasittavaa. Missään ei ole saatu näyttöä siitä, että kodin ja toimistojen magneetti- ja sähkökentät vaikuttaisivat ihmiseen, saati sitten että vaikutukset olisivat haitallisia.

On myös huijareita tai väärään ymmärrykseen toimintaansa perustavia ihmisiä, jotka väittävät magneettikenttien olevan terveellisiä. Eräiden myynnissä olevien laitteiden uskotaan auttavan lukuisiin eri sairauksiin ja niiden oireisiin. Laitteet synnyttävät pikoteslojen suuruusluokkaa olevia magneettikenttiä, joilla ei liene mitään positiivista tai negatiivista vaikutusta terveyteen. Toisaalta kännyköihin ja näyttöpäätteisiin myydään erilaisia "suojia", joista jotkin todellakin vähentävät elimistön saamaa, jo muutenkin vaaratonta "annosta".

Aivotoiminnan biokemiaa

1800-luvulle saakka oli vallalla käsitys, ettei elävän kudoksen toimintaa voida selittää elotonta luontoa kuvaavien lakien avulla, vaan tarvittiin avuksi "vitaalisia voimia". Erityisesti uskottiin, ettei orgaanisia molekyylejä voitaisi syntetisoida epäorgaanisista lähtöaineista. Tämän käsityksen kumosi saksalainen Friedrich Wöhler vuonna 1828 valmistamalla ureaa ammonium-syanaatista. Tästä alkoi biokemian tutkimus. Viime vuosikymmeninä on päästy käsiksi elämän ilmiöihin molekulaarisella tasolla; tätä alaa kutsutaan molekyylibiologiaksi.

Aivoissa kemikaalit siirtävät informaatiota sähköisen välityksen ohella. Neurotransmission historia alkaa viime vuosisadan lopulta: 1895 havaittiin lisämunuaisuutteen ohjaavan hermotoimintaa. Otto Loewi totesi vuonna 1921 vagushermon ärsytyksen tuottavan sydämen rytmiä hidastavaa ainetta. Vaikutus oli estettävissä kudosnäytettä huuhtomalla. Hän päätteli hermostimulaatiossa vapautuvan jotakin ainetta ja risti sen vagusaineeksi: asetyylikoliini oli keksitty.

Hermoston tutkimus kemiallisella hierarkiatasolla on kasvanut hyvin voimakkaasti viimeisen 20 vuoden aikana; "neurokemia" on nykyisin suurin neurotieteiden osa-alue. Sen alaan kuuluvat mm. neurotransmitterien valmistus, vaikutus ja metabolismi, reseptorit, geneettisen tiedon välittäminen, aivojen kehityksen säätely, molekulaariset viestintämekanismit solussa, energia-aineenvaihdunta sekä hormonitoiminta.

Biokemian perusteita

Maapallon noin 90 alkuaineesta on elämälle tärkeitä 27. Ihmisessä on eniten seuraavia atomeja: H, 60%; O, 26%; C, 11%; N, 2,4%; Ca, 0,22%; P ja S 0,13%; K, Cl, Na, Mg, kutakin alle 0,1%.

Elämä perustuu ennenkaikkea hiileen (C, järjestysluku Z= 6, atomipaino A = 12). Hiiliatomin sisimmällä kuorella on 2 elektronia ja toisella kuorella loput, kemiallisesti tärkeät 4 elektronia. Elimistö saa hiilensä ruoan mukana; pääosa on tullut ilmakehän hiilidioksidista kasvien yhteyttämisreaktion kautta.

Elollisen luonnon kemia eli biokemia on orgaanisen kemian osa. Hiili muodostaa kovalenttisia yksinkertaisia sidoksia sekä kaksois- ja kolmoissidoksia hiili- ja muiden atomien kanssa. Kovalenttisidos syntyy, kun energeettisesti edullinen tila saavutetaan elektronin jakautuessa kahden atomin uloimpien kuorien orbitaaleille. Kovalenttinen sidos voidaan ymmärtää kvanttimekaniikan avulla. Tyypillisiä hiilelle ovat suorat ja haaroittuvat yksinkertaisten sidosten avulla rakentuneet hiiliketjut ja -renkaat. Kuvassa 40 on esitetty joitakin hiiliyhdisteissä yleisiä erikseen nimettyjä atomiryhmiä, joiden tunteminen helpottaa yhdisteiden nimien ja rakenteiden oppimista. Seuraavassa käsitellään yksityiskohtaisemmin valkuais- ja välittäjäaineiden kemiallisia rakenteita.

Proteiinit

Proteiinit eli valkuaisaineet ovat keskeisessä asemassa elämän prosessissa: perimä koodattu DNA:han nukleiinihapposekvensseinä, jotka määräävät mitä proteiineja solut valmistavat. Proteiinit koostuvat aminohapoista; niiden molekyylipainot ovat luokkaa 103–106. Kuva 41 esittää yleiskaavan aminohaposta: keskellä olevaan a-hiileen ovat kovalenttisidoksin liittyneet karboksyyliryhmä COOH, aminoryhmä H2N, vetyatomi H sekä kullekin aminohapolle ominainen ryhmä R. Elektrolyytissä aminohappo polarisoituu helposti (riippuen pH:sta) siten, että karboksyyliryhmä menettää ja aminoryhmä saa protonin (Kuva 41). Aminohapot voivat myös esiintyä kahdessa eri konfiguraatiossa, joista toinen on toisen peilikuva. Näiden stereoisomeerien erilaisuus johtuu siitä, että a-hiilen sidokset eivät ole tasossa vaan orientoituneet kuten suunnat tetraedrin keskeltä sen kärkiin. Elävä luonto käyttää 20 eri aminohappoa proteiinien rakennusaineina (Kuva 42).

Proteiinit ovat aminohapoista peptidisidoksella syntyneitä ketjuja eli polypeptidejä. Sidos muodostuu, kun yhden aminohapon ionisoitunut karboksyyliryhmä ja toisen aminohapon ionisoitunut aminoryhmä yhtyvät dehydraatio-eli vedenmenetysreaktiossa (Kuva 43). Näin valmistuneessa ketjussa toistuu Ca—C—N-osa; Ca on aminohapon a-hiili, johon on kiinnittynyt H ja R. Karboksyyliryhmään kuuluneeseen hiiliatomiin C on kiinnittynyt O ja typpiatomiin N on kiinnittynyt H.

Proteiinien kolmidimensioisen rakenteen kuvaamiseen käytetään neljää eri tasoa. Primäärinen kuvaus kertoo aminohappojärjestyksen; sekundäärinen, miten ketju on kiertynyt (esim. ruuvimaisesti tai tehden mutkan tietyssä kohden); tertiäärinen, miten ketju on asettunut 3-dimensioiseen konfiguraatioon. Kvartäärinen kuvaus tarvitaan, jos useita peptidejä on vielä kasautunut yhdeksi "kokkareeksi".

 

Miten solu toimii? Tuman sisältämissä kromosomeissa on deoksiribonukleiinihappo- eli DNA-molekyylejä, jotka yhdessä kromosomien proteiinien kanssa muodostavat geenit. DNA on kiertyneen tikapuun tapainen kaksoiskierreketju (double helix), joka koostuu seuraavista nukleiinihapoista: A = Adeniini, T = Tymidiini, G = Guaniini, C = Sytosiini. Ketjun kaksi puolikasta ovat toistensa peilikuvia: A ja T ovat vastinpareja, samoin G ja C. Koska koodi on molemmissa puoliskoissa, voidaan solunjakautumisen yhteydessä rakentaa kummastakin DNA:n puoliskosta alkuperäisen DNA:n kopio.

Entsyymien vaikutuksesta DNA:sta saadaan ns. transkriptiossa RNA:ta eli ribonukleiinihappoa, joka sisältää saman nukleiinihapposekvenssin kuin DNA, paitsi että tymidiini on korvattu urasiililla. Näin syntynyt mRNA (messenger RNA) kulkeutuu tuman ulkopuolelle, jossa se RNA:sta ja proteiineista rakennettuihin ribosomeihin kiinnittyneenä ohjaa proteiinien valmistusta solunesteessä olevista aminohapoista. Kutakin aminohappoa koodaa kolme DNA:n nukleiinihappoa. Näin saatu polypeptidi tulee valmiiksi proteiiniksi saavutettuaan tertiäärisen rakenteensa taittumalla oikeista kohdista. Eritettävät proteiinit pakataan kalvon ympäröimiksi vesikkeleiksi Golgin laitteessa ja kuljetetaan sinne, missä niitä tarvitaan (Kuva 16).

Solut erikoistuvat sen mukaan, miten geenit ohjaavat niiden proteiinivalmistusta. Vaikka kaikissa soluissa onkin samat geenit, ne ilmentyvät (puhutaan geeniekspressiosta) eri soluissa eri tavoin riippuen solun kemiallisesta tilasta. Hermosolujen geeniekspressioon vaikuttaa erityisesti synaptinen toiminta eli solujen proteiinituotanto ja sitä kautta aivojen tarkka rakenne määräytyy paljolti sen mukaan, mitä yksilö tekee ja millaisille sensorisille vaikutuksille hän on altis. Perimä ei siis yksin määrää, mitä proteiineja kukin hermosolu geneettisen koodin mukaisesti tuottaa, vaan tulokseen vaikuttaa aktiivinen toimintamme!

Proteiinivalmistus määrää solujen monimotoisen ja monimutkaisen rakenteen perustan: entsyymit, kalvopumput, ionikanavat, kalvoreseptorit, liikettä synnyttävät proteiinit, tukikudokset ja neuropeptidejä sisältävät proteiinit. Valkuaisainesynteesin lisäksi solujen toimintaa ohjaavat niiden omat entsyymit sekä ulkoiset kemialliset vaikutukset. Solu on siis varsin monimutkainen tehdas, joka valmistaa jatkuvasti uusia molekyylejä ja erittää hajoamistuotteita. Elämä perustuu tällaisten täysautomaattisten mikrotehtaiden toimintaan.

Synapsivälityksestä

Ravintoaineita käyttämällä neuronit pyörittävät tehdastaan tuottaen proteiineja ja muita yhdisteitä, rakentaen ja vaurioita korjaten. Tärkeä osa toiminnoista liittyy hermoimpulssien lähettämiseen. Tällaisia ovat mm. ionikonsentraatioeron ylläpitäminen solukalvon ulko- ja sisäpuolen välillä sekä synapsivälityksessä tarvittavien välittäjäaineiden (neurotransmitter) valmistus. Neuropeptidit tehdään ribosomien tuottamista proteiineista pätkimällä, mutta esim. GABA, dopamiini ja serotoniini (kts. Kuva 44) aminohapoista solunesteen entsyymeillä muokaten.

 

Impulssin saapuminen synapsiin aiheuttaa välittäjäaineen vapautumisen synapsirakoon, josta molekyylit diffundoituvat postsynaptisen solun pinnalle (Kuva 45). Kymmenet eri yhdisteet toimivat välittäjäaineina. Jokainen niistä vaikuttaa karakteristisella tavallaan vastaanottavasta reseptorista riippuen– joko eksitatorisesti, inhibitorisesti, muiden välittäjäaineiden vaikutusta moduloiden tai solun sisäistä toimintaa säätäen. Eri välittäjäaineet eivät jakaudu tasaisesti aivojen eri alueille, vaan keskittyvät tiettyihin neuroniryhmiin, joiden aksonit puolestaan johtavat tarkoin määrättyihin muihin aivoalueisiin. Kemiallinen erikoistuminen mahdollistaa erilaisten aivotoimintojen riippumattoman säätelyn. Lisää säätelymahdollisuuksia antaa se, että samalle välittäjäaineelle on useita erilaisia reseptoreita, joita toimintaa ja määrää voidaan selektiivisesti säätää.

Välittäjäaineiden kemiallinen identifiointi on edistynyt ripeästi viime vuosina. Kokeissa on mm. selvinnyt, miten monien lääkeaineiden ja solumyrkkyjen vaikutus käytökseen perustuu kemiallisen synapsivälityksen muutoksiin. Monien aivosairauksien vaikutukset johtuvat synapsivälityksen puutteista aivoissa.

Ionikanavat ja reseptorit

Ionikanavat ovat sähköisen viestintäjärjestelmämme tärkein osa. Natriumin ja kaliumin kulkua solukalvon läpi on selvitetty jännitelukitustekniikalla, jossa solukalvon yli oleva potentiaaliero säädetään halutuksi ja kalvon läpäisevää virtaa tutkitaan. 1980-luvulla kehitettiin patch clamp -tekniikka, jolla pystytään tutkimaan virtoja yksittäisten ionikanavien läpi. Tässä menetelmässä, josta Erwin Neher ja Bert Sakmann saivat lääketieteen Nobelin palkinnon vuonna 1991, solukalvo imetään mikropipettiin siten, että vain muutama kalvon ionikanava jää pipetin sisään ja ionivirrat mitataan (Kuva 46). Sittemmin on selvitetty useiden ionikanavia muodostavien valkuaisaineiden atomaarinen rakenne, mikä on mahdollistanut ymmärtämään, mihen kanavien ioniselektiivisyys perustuu. Erityisen ansiokasta työtä tällä saralla on tehnyt Roderick MacKinnon. Hän osoitti, että K+-kanavan (joka koostuu 4 samanlaisesta proteiinimolekyylistä) sisäseinämän happiatomit ovat sellaisella etäisyydellä toisistaan, että kanavassa K+-ionilla on sama energiataso kuin ollessaan elektrolyytissä vesimolekyylien happiatomien ympäröimänä (Nature 414, 37—48, Nov. 1, 2001). Tämä mahdollistaa ionin vaivattoman siirtymisen solunsisäisestä nesteestä kanavaan. Vaikka Na+-ioni on pienempi kuin K+-ioni, sen energia kanavassa ei olisikaan sama kuin elektrolyytissä, joten se ei pääse lävitse. MacKinnonin työ on suuri läpimurto erityisesti neurofysiikan kannalta; kts. kurssin internetsivujen linkki "The potassium channel".

Kanavia on kahta päälajia, jänniteherkkiä ja ligandiherkkiä eli reseptorikanavia. Jänniteherkistä tärkeimmät ovat Na+-, K+-, Ca2+-, ja Cl-kanavat. Reseptorikanavat taas luokitellaan sitoutumiskohdan mukaan, johon sitten välittäjäaine vaikuttaa (Kuva 47). Kanavamolekyyliin kuuluu reseptorin lisäksi varsinainen kanava, joka ulottuu solukalvon läpi. Kanavassa oleva suodatin rajaa sen tietyille ioneille; siinä oleva kanavaportti avautuu välittäjäaineen sitoutuessa reseptoriin. Tällaisia kanavia ovat esimerkiksi asetyylikoliinin nikotiinireseptorit, eksitoivien aminohappojen reseptorit ja GABA-reseptorit.

Jänniteherkät Na+-kanavat (Kuva 27) ovat olennaisia aktiopotentiaalin siirrossa, kuten edellä on jo käynyt ilmi. Na+-ionien virtaus poistaa kalvojännitteen hetkellisesti täysin, mutta kanava myös sulkeutuu erittäin nopeasti, kahdessa millisekunnissa. Tämän jälkeen kanava ei aukea, ellei kalvojännite palaa lepotilaan. On ajateltu, että kanavassa on kaksi porttia, aktivoiva ja inaktivoiva. Edellinen aukeaa kalvojännitteen kynnysarvolla, samalla kun inaktivaatioportti alkaa sulkeutua, kuitenkin hitaammin, joten kanava jää hetkeksi auki.

Jänniteherkät kaliumkanavat ovat Na+-kanavien vastavaikuttajia: mitä paremmin kalvo päästää läpi K+-ioneja, sitä vaikeampaa on solun ärtyminen.

Jänniteherkät kalsiumkanavat aukeavat depolarisaatiovaiheessa ja solunsisäinen kalsiumpitoisuus kasvaa. Myös syklinen AMP voi avata kalsiumkanavia. Ca2+ herkistää useita kemiallisia vasteita, esim. välittäjäaineiden vapautumista. Solunsisäinen Ca2+ aktivoi K+-kanavia ja saattaa synnyttää hyperpolarisaation; eräissä soluissa on myös Ca2+-riippuvaisia kloridikanavia, jotka voivat aiheuttaa hyperpolarisaatiota.

Saman solun pinnalla saattaa olla runsaasti erityyppisiä ionikanavia. Nämä määräävät hermosolun erityisluonnetta, esimerkiksi onko se rytmejä synnyttävä (pacemaker) vai reletyyppinen neuroni.

Synapsivälitys

Kaikkia keskushermostoon vaikuttavia aineita voidaan kutsua neuroregulaattoreiksi. Välittäjäaineet (neurotransmitters) syntetisoidaan presynaptisesti; vapauduttuaan synapsirakoon molekyylit reagoivat postsynaptisten reseptorien kanssa vaikuttaen rajoittuneella alueella. Neuromodulaattorit taas välittävät vaikutuksen laajemmalle. Sama aine voi toimia sekä neurotransmitterina että -modulaattorina. Neuromodulaattorit mahdollistavat laajempien järjestelmien nopeamman säädön kuin yksittäiset synaptiset transmitterit.

Esimerkiksi GABA, dopamiini ja serotoniini valmistetaan aminohapoista solunesteen entsyymeillä muokaten. Neuropeptidit taas syntyvät proteiineista pätkimällä. Peptiditransmittereita tunnetaan jo yli 50 ja määrä lisääntyy jatkuvasti. Aikaisemmin vain muutaman aineen uskottiin toimivan hermoärsytyksen välityksessä.

Eri synapsilajit

Impulssit välittyvät hermosolusta toiseen synapsien välityksellä joko suoraan (electrical synapse, gap junction) tai kemiallisen välittäjäaineen avulla (chemical synapse). Koska jälkimmäinen mekanismi on imettäväisillä huomattavasti tärkeämpi, käsittelemme ainoastaan sitä. Todettakoon kuitenkin, että suorassa synapsivälityksessä, jossa sähkövirran kuljettajina toimivat ionit, informaation siirto on erittäin nopeaa, kun taas kemiallisessa synapsissa esiintyvä viive on vähintään 0,3 ms ja usein jopa 5 ms. Suoria synapseja käytetään mm. nopeita silmän liikkeitä kontrolloivien lihasten pinnalla olevissa hermopäätteissä.

Synapsivälityksen biokemiaa

Välittäjäaineen elinkaareen kuuluu valmistus ja varastointi, aineen vapauttaminen synapsirakoon oikealla hetkellä, reaktio postsynaptisen solun reseptorien kanssa sekä vaikutuksen lopettaminen joko hajottamalla välittäjäaine tai ottamalla se takaisin hermopäätteeseen.

Monet välittäjäaineet syntetisoidaan hermopäätteissä. Lähtöaineena voi olla joku ravinnon mukana saatu aminohappo, josta entsyymit muokkaavat välivaiheiden kautta monoamiiniksi kutsutun lopputuotteen. Näitä ovat mm. dopamiini, serotoniini, adrenaliini ja noradrenaliini.

Kuva 48 esittää noradrenergistä (välittäjäaineenaan noradrenaliini eli norepinephrine, NE), eksitatorista synapsia. NE syntetisoidaan solussa lähtöaineena tyrosiini-niminen aminohappo. Ensimmäisessä vaiheessa syntyy L-dopaa tyroksiinihydroksylaasi-nimisen entsyymin toimesta. Seuraavassa vaiheessa L-dopan dekarboksylaatio johtaa dopamiinin muodostukseen. Lopuksi dopamiini muuttuu dopamiini-beetta-hydroksylaasin vaikutuksesta noradrenaliiniksi.

Välittäjäaine varastoidaan pieniin kalvon muodostamiin pusseihin, joita kutsutaan synaptisiksi rakkuloiksi. Yhdessä hermopäätteessä voi olla tuhansia rakkuloita, joista jokainen sisältää 10000–100000 välittäjäainemolekyyliä. Rakkuloiden pintakalvo suojaa välittäjäainetta hermopäätteessä olevilta entsyymeiltä, jotka muuten hajottaisivat sen.

Hermoimpulssin saapuminen aksonipäätteeseen lisää solukalvon jänniteriippuvaa läpäisevyyttä kalsiumioneille, jotka sisään päästyään laukaisevat välittäjäaineen vapauttamismekanismin: synaptiset rakkulat fuusioituvat solukalvoon ja rakkula tyhjenee synaptiseen rakoon (Kuvat 45 ja 47).

Välittäjäaineen molekyylit diffuntoituvat nopeasti synaptisen raon yli postsynaptisen neuronin reseptoreihin, jotka ovat suurikokoisia proteiinimolekyylejä solukalvon fosfolipidien seassa (Kuva 13). Välittäjäaine sopii vastaanottavan proteiinin pinnalle kuin "avain lukkoon".

Sama avain voi kuitenkin käydä moneen lukkoon, toisin sanoen samalla transmitterilla voi olla useita erityyppisiä reseptoreita. Asetyylikoliinilla on muskariini- ja nikotiinireseptoreita, noradrenaliinilla on neljän eri tyypin reseptoreita (a1 ja a2, b1 ja b2), dopamiinilla kolme tyyppiä, serotoniinilla kolme (ensimmäisessä on 4 alatyyppiä), histamiinilla kaksi ja glutamaatilla kolme. Jotkut molekyylit voivat myös moduloida reseptorien toimintaa: esimerkiksi ahdistuslääkkeenä käytetty diatsepaami sitoutuu GABA-reseptoriin ja muuttaa sen herkkyyttä, vaikkei itse aktivoikaan reseptoria.

Reseptoreita on synapsiraossa sekä pre- että postsynaptisesti. Presynaptiset reseptorit mahdollistavat negatiivisen takaisinkytkennän: kun transmitteria on vapautunut runsaasti, sen sitoutuminen presynaptiseen reseptoriin jarruttaa erittymistä. Soluruumiissa sijaitsevien, solun tuottamaa välittäjäainetta sitovien reseptorien on taas osoitettu hillitsevän solun laukomista. Yhdessä hermosolussa voi olla monentyyppisiä reseptoreita. Ne ovat proteiinimolekyylejä, joita syntetisoidaan ja poistetaan jatkuvasti; tämä on yksi taso keskushermoston muovautuvuutta eli plastisiteettia.

Välittäjäaineen ja reseptorin välinen vuorovaikutus muuttaa reseptoriproteiinin muotoa avaten solukalvoon reiän, jonka läpi sähköisesti varatut ionit pääsevät virtaamaan suuremmasta pitoisuudesta pienempään. Riippuen mistä ioneista on kyse, solukalvo de- tai hyperpolarisoituu. Asetyylikoliinin, jonka toimintakaaviota esittää kuva 49, vaikutus on kiihdyttävä, sillä sen seurauksena positiivisia ioneja tunkeutuu soluun depolarisoiden sitä. GABAn A-tyypin reseptorimolekyylissä taas avautuu reikä valikoivasti Cl-ioneille: näiden tunkeutuessa sisään solukalvo hyperpolarisoituu, joten vaikutus on estävä.

Reseptorit voivat modifioida solun toimintaa myös muilla tavoilla. G-proteiinireseptorit säätelevät ns. toisiolähettien (second messenger) muodostumista. Solukalvon läpäisevät reseptorit ovat kiinnittyneinä näihin G-proteiineihin, jotka transmitterin vaikutuksesta aktivoituvat ja syntetisoivat toisiolähettejä, esim. syklistä AMP:tä tai GMP:tä. Toisiolähetit vaikuttavat sitten solun proteiiniaineenvaihduntaan. G-proteiineihin voi myös liittyä ionikanavia.

Neurotransmitterit toimivat siis kahdella periaatteella, suoraan ja välillisesti, sekä kahdella aikaskaalalla, nopeasti ja hitaasti. Moni välittäjäaine reagoi kahden tai useammantyyppisen reseptorimolekyylin kanssa. Esimerkiksi asetyylikoliinin nikotiinireseptori toimii nopeasti motoneuronin ja lihaksen välisessä synapsissa, kun taas aivoissa asetyylikoliinin muskariinireseptori käyttää syklistä guanosiinimonofosfaattia (cGMP) samaan tapaan kuin edellämainitut aineet käyttivät cAMP:tä.

Tyrosiinikinaasireseptorit liittyvät tyrosiinikinaasientsyymiin, joka aktivoituu transmitterin sitoutuessa. Erityisesti hermoston kasvutekijät välittävät vaikutuksensa näiden reseptorien kautta. Entsyymiaktiviteetti tuottaa fosforyloituja proteiineja, mikä lopulta johtaa DNA-synteesin lisääntymiseen. Steroidireseptorit sijaitsevat solun solulimassa ja tumassa ja niihin sitoutuvat aineet kulkevat rasvaliukoisina solukalvon läpi.

Inaktivaatio

Kun välittäjäainemolekyyli on sitoutunut reseptoriinsa, se pitää nopeasti inaktivoida, jottei synaptinen vaikutus jäisi päälle ja signaalikanava tukkeutuisi. Transmitterin vaikutus päättyy, kun se hajotetaan tai otetaan takaisin presynaptiseen soluun. Esim. asetyylikoliini inaktivoidaan synapsiraossa olevan asetyylikoliiniesteraasi-entsyymin toimesta (Kuva 49).

Noradrenaliinin tapauksessa inaktivaatiomekanismi on takaisinotto soluun (Kuva 48). Heti kun tämä välittäjäaine on joutunut synaptiseen rakoon, sen pumppaaminen takaisin presynaptisen solukalvon läpi alkaa. Hermopäätteen sisällä molekyylit joko siirtyvät synaptisiin rakkuloihin uudelleen käytettäviksi tai, jos niitä on liikaa, ne hajotetaan siellä olevan entsyymin (monoamine oxidase = MAO) toimesta. Synaptiseen rakoon jääneet noradrenaliinimolekyylit taas tuhotaan toisen entsyymin (catechol-O-methyltransferase = COMT) vaikutuksesta. Välittäjäaineen uudelleenkäyttömekanismi, joka tietenkin on metabolisesti edullinen, toimii lisäksi ainakin dopamiinin, serotoniinin ja GABAn tapauksessa.

Astrosyyteillä on muutakin merkitystä kuin toimia tukisoluina. Ne osallistuvat olennaisesti GABAn ja glutamaatin aineenvaihduntaan aivoissa. GABAn ja glutamaatin vapauduttua synapsirakoon neurotransmissiossa osa näistä molekyyleistä otetaan astrosyytteihin ja metaboloidaan uudelleen glutamiiniksi, GABAn ja glutamaatin esiasteeksi. Glutamiinisyntetaasi, glutamiinin valmistuksen olennainen entsyymi, esiintyy lähes yksinomaan astrosyyteissä. Näin tuotettu glutamiini siirtyy sitten hermosoluihin uudelleen käytettäväksi.

Eräiden välittäjäaineiden jakauma aivoissa

Noin 80–90%:ssa keskushermoston synapseista välittäjäaineena toimii aminohappo, 5–10%:ssa amiini ja 1–2%:ssa peptidi.

Aminohappotransmittereita ovat mm. glutamaatti ja glysiini (Kuvat 42 ja 44), joista edellinen on aivojen tärkein kiihdyttävä välittäjäaine.

Glutamaatin reseptorit on nimetty niille suhteellisen spesifien agonistien mukaan N-metyylidextroaspartaatti (NMDA)-, kainaatti- ja 1-amino-3-hydroksi-5-metyyli-iso-oksatsoli-4-propionaatti (AMPA)-reseptoreiksi.

Aivojen vallitseva inhibitorinen välittäjäaine on gamma-aminovoihappo (gamma amino butyric acid, GABA, Kuva 44). Jopa yli kolmasosa aivojen synapseista on GABAergisiä. GABAa sisältävät aivosolut voidaan identifioida radioaktiivisilla merkkiatomeilla tai värjäämällä ne välittäjäainetta tuottavan entsyymin vasta-aineella. Suurin osa GABAa sisältävistä hermoradoista on lyhyitä välineuronien muodostamia yhteyksiä.

GABAlla on kahdentyyppisiä reseptoreita, GABAA ja GABAB. A-tyypin reseptori muodostuu neljästä tai viidestä polypeptidistä ja sisältää kloridikanavan. GABAn vastaanottokohtia on kaikissa reseptorin polypeptideissä, mutta vain kaksi GABA-molekyyliä tarvitaan avaamaan kanava; tällöin solukalvon permeabiliteetti kloridille ja bikarbonaatti-ioneille kasvaa. Kloridin läpäisevyyden lisäys vähentää hermoärsytystä kahdella tavalla: siirtämällä kalvopotentiaalia negatiivisemmaksi ja oikosulkemalla eksitatoristen postsynaptisten potentiaalien vaikutusta.

Asetyylikoliinin vaikutus aivokuorella ja hippokampuksessa on pääosin eksitoiva. Meynertin tumake aktivoituu apinakokeissa jotakin suoritusta palkittaessa. Tällainen ACh-erityksen lisäys saattaa aiheuttaa ohimenevän lisäyksen aivokuoren solujen aktiviteetissa. Tätä kolinergista (asetyylikoliinia käyttävää) fasilitaatiota (toiminnan edistämistä) on pidetty yhtenä mahdollisena solutason oppimismekanismina. ACh-estäjät huonontavat oppimista.

Asetyylikoliiniradat isoaivokuorelle ja hippokampukseen vaurioituvat Alzheimerin taudissa. Kyseessä on dementia, johon kuuluu muisti- ja emotionaalisia häiriöitä, masentuneisuutta ja ahdistuneisuutta. Tila on etenevä, hiljalleen häviävät muisti ja kyky hoitaa itseään. Taudin loppuvaiheessa potilas on avuton ja jatkuvan hoidon tarpeessa. Tautiin liittyy useiden välittäjäaineiden muutoksia, mutta isoaivokuoren asetyylikoliiniaktivaation väheneminen on sille tyypillisintä. Loppuvaiheen Alzheimerpotilailla on havaittavissa vaikea solukato Meynertin tumakkeessa.

Noradrenaliinia on runsaasti aivorungon locus coeruleus -tumakkeissa, joista lähtevät aksonit haarautuvat eri tahoille, mm. hypotalamukseen, pikkuaivoihin ja isoaivokuorelle. Noradrenaliini osallistuu vireystilan säätelyyn. Aivokuoren plastiset muutokset, esimerkiksi näköaivokuoren pylväiden kehittyminen, vaativat onnistuakseen noradrenaliinia.

Dopamiinia sisältäviä neuroneja on runsaasti erityisesti keskiaivoissa substantia nigran ja tegmentumin tienoilla. Näiden aksonit haarautuvat laajalle. Aivoissa on neljä dopaminergista päärataa: mesokortikaalinen, mesolimbinen, nigrostriataalinen ja tuberoinfundibulaarinen. Nigrostriataalirata kulkee substantia nigran pars reticulatasta tyvitumakkeisiin. Radan solujen degeneroituessa ilmenee Parkinsonin tauti. Mesolimbinen rata taas ulottuu tunne-elämää sääteleville limbisille alueille. Tuberoinfundibulaarinen rata hypotalamuksesta aivolisäkkeeseen säätelee hormonieritystä aivolisäkkeestä. On mahdollista, että liiallinen dopamiinimäärä aiheuttaa skitsofreniaa.

Näiden ratojen erilaiset tehtävät aiheuttavat ongelmia eri tautitiloja lääkittäessä. Esimerkiksi skitsofreniapotilasta hoidettaessa on hyödyllistä salvata dopamiinireseptoreita; skitsofrenialääkityksessä salpautuvat kuitenkin myös nigrostriataalirata ja tuberoinfundibulaarirata, josta seuraa liike- ja hormonihäiriöitä. Parkinsonin taudin hoidossa taas on hyödyllistä aktivoida lääkityksellä nigrostriataalirataa: tästä saattaa kuitenkin seurata myös psykoosi. On yritetty saada aikaan lääkkeitä, jotka vaikuttaisivat valikoivasti johonkin näistä taudeista kehittämällä aineita, jotka kohdentuvat tiettyihin dopamiinireseptorityyppeihin.

Suurin osa serotoniinia sisältävien hermosolujen soomaosista sijaitsee ydinjatkoksen keskiviivalla olevassa raphe-tumakkeessa. Näiden neuronien aksonit ulottuvat aivojen kaikkiin osiin. LSD salpaa serotoniinireseptoreita, samoin kuin eräät masennuslääkkeet. Rotat, joiden aivojen serotoniinivarastot on tyhjennetty, ovat unettomia, aggressiivisia, kipuherkkiä, seksuaalisesti aktiivisia ja syövät paljon. Väkivaltaisilla alkoholisteilla ja itsemurhan tekijöillä on todettu matalia serotoniinin aineenvaihduntatuotteiden pitoisuuksia selkäydinnesteessä.

Aminohappoketjuista muodostuvat neuropeptidit lisäävät suuresti välittäjäaineiden lukumäärää. Niitä pilkotaan suuremmista valkuaisainemolekyyleistä. Peptidit muodostavat perheitä, joissa biologiselta aktiivisuudeltaan erilaiset aineet ovat rakenteeltaan samankaltaisia. Neuropeptidit esiintyvät usein samoissa soluissa esimerkiksi amiinivälittäjäaineiden kanssa; ne voivat joko lisätä tai vähentää varsinaisen välittäjäaineen tehoa. Esimerkiksi Meynertin tumakkeen ärsytyksessä vapautuu asetyylikoliinia, mutta ärsytyksen voimistuessa edelleen alkaa vapautua galaniini-nimistä peptidiä, joka estää asetyylikoliinin vapautumista. Neuropeptideiltä puuttuu usein muille välittäjäaineille tyypilliset takaisinotto- ja inaktivaatiojärjestelmät. Ne muodostuvat soluruumiissa ja kulkeutuvat sitten ulokkeisiin.

Enkefaliinit ovat keskushermostoproteiineja, jotka sitoutuvat opiaattireseptoreihin; ne ovat aivojen sisäsyntyisiä (endogeenisiä) opiaatteja. Ne esimerkiksi inhiboivat samoja selkäytimen kipuneuroneja kuin morfiini ja alentavat kipukynnystä (Kuva 50). On löydetty ainakin 18 eri peptidityyppiä, joilla on opioidiluonne. Nämä syntyvät kolmesta suuresta proteiinimolekyylityypistä pilkkoutumalla. Beetaendorfiini on näistä teholtaan paras: se on 50 kertaa tehokkaampaa kuin morfiini.

Opiaattireseptoreita tavataan aivokuorelta, tyvitumakkeista, joissa ne vaikuttavat dopamiinitransmissioon, ja väliaivojen kipuaistimuksiin liitetyiltä alueilta. Niiden arvellaan osallistuvan paitsi kivun lievitykseen myös ruokahalun, nestetasapainon, lämmön ja hengityksen säätelyyn sekä liikkumisen ohjaukseen.

Neurohormoni on neuronien tai muiden solujen tuottama yhdiste, joka kulkeutuu verenkierron mukana ja tehoaa etäällä syntypaikastaan oleviin hermosoluihin. Sama kemiallinen yhdiste voi vaikuttaa aivojen eri osissa joko neurotransmitterina, -modulaattorina tai -hormonina. Esimerkiksi dopamiini toimii välittäjäaineena basaaliganglioissa, mutta neurohormonina sen viedessä signaaleja paikallisen verenkierron (porttilaskimot) välityksellä hypotalamuksesta aivolisäkkeeseen, jossa se inhiboi aivolisäkkeen prolaktiini-hormonin tuotantoa.

Aivolisäke (Pituitary gland = hypophysis) on väliaivojen pohjassa oleva rauhanen, joka tuottaa useita hormoneja erityisesti kehon muiden rauhasten säätelemiseksi. Aivolisäkettä kontrolloi hypotalamus.

Ruiskuttamalla muutamia nanogrammoja angiotensin II -nimistä neuropeptidiä suoraan aivoihin koe-eläin saadaan hillittömän janon valtaan. Ehkä vielä kiintoisampaa on, että pieni määrä vasopressiiniä aivoihin injektoituna voi parantaa koe-eläinten muistia. Neuropeptidejä koskeva tutkimus on vasta alussa, mutta näyttää ilmeiseltä, että niillä on erittäin moninaisia ja tärkeitä tehtäviä keskushermoston toiminnan säätelyssä.

Paikallis-ajallinen integraatio

Välittäjäaineen vaikutus postsynaptisen neuronin solukalvoon kestää 1–2 ms. Tänä aikana, mikäli kyseessä ovat eksitatoriset synapsit, suuri määrä Na+-ioneja tunkeutuu soluun. Jos vaikutus on riittävä, neuroni laukeaa. Inhibitorinen välittäaine taas nostaa solukalvon permeabiliteetin K+- ja Cl-ioneille 1–2 ms:n ajaksi. Solukalvon potentiaalin saattaminen normaaliksi Na—K-pumpun ja diffuusion vaikutuksesta kestää 10–20 ms.

Yksi synapsi tuskin koskaan pystyy laukaisemaan neuronia, sillä kerralla eritetyn välittäjäaineen määrä aiheuttaa yleensä korkeintaan 1 mV:n suuruisen potentiaaliheilahduksen postsynaptisen neuronin solukalvolla. Eri synapsien vaikutukset summautuvat, ja yhteisvaikutus saattaa laukaista neuronin.Lopputulokseen vaikuttavat sekä eksitatoriset että inhibitoriset synapsit. Tätä kutsutaan spatiaaliseksi integraatioksi.

Useimmat synapsit kykenevät erittämään uutta välittäjäainetta 2–4 ms:n kuluttua edellisen hermoimpulssin saapumisesta. Koska postsynaptisen neuronin solukalvon palautuminen normaalitilaan kestää paljon kauemmin, nopeasti toisiaan seuraavat impulssit summautuvat ajallisesti eli temporaalisesti ja saattavat postsynaptisen solukalvon lähemmäksi laukeamiskynnystä.

Neuronien hajoaminen ja uusiutuminen eli degeneraatio ja regeneraatio

Monet hermoston sairaustilat aiheuttavat neuroneissa histologisesti (kudosrakenteellisesti) havaittavan muutoksen. Yksinkertaisin vauriotilanne on aksonin katkeaminen. Traumakohdan kalvot liittyvät yhteen muutaman minuutin kuluessa, mikä estää soluliman ulosvirtauksen. Usein tynkä samalla vetäytyy taaksepäin, paksunee ja pullistuu, mikä johtuu aksoplasmisen virtauksen estymisestä.

Tietyissä olosuhteissa, erityisesti ääreishermoston alueella, katkaistu aksoni pyrkii traumavyöhykkeeltä pääte-elimeensä. Muutaman vuorokauden alkushokin jälkeen aksoni alkaakin kasvaa distaalisuuntaan. Traumavyöhykkeen läpäisyyn kuluu 1–2 viikkoa, minkä jälkeen kasvunopeus on noin 1,5 mm/vrk. Ns. hermojen kasvutekijä on ollut tunnettu noin neljännesvuosisadan ajan. Kasvutekijä vaikuttaa sekä sensoristen että sympaattisten hermosolujen kasvuun ja kehitykseen. Sensoristen neuronien kasvua aine stimuloi vain sikiökehityksen aikana, mutta sympaattiset hermosolut ovat herkkiä sen vaikutukselle myös aikuisella.

Näköaisti

Silmä

Silmä muodostaa kameran tavoin 180° kiertyneen kuvan näkökentästä verkkokalvolle eli retinalle. Kuljettuaan läpinäkyvän hermosolukerroksen läpi (Kuva 51) valo ärsyttää sauvoja (rod) ja kartiomaisia tappeja (cone). Näissä molemmissa reseptorisolutyypeissä on valoa absorboivaa ainetta eli näköpigmenttiä, joka on asettunut säännöllisesti poimuttuneille kalvoille. Valokvantit muuttavat näköpigmenttimolekyylien kolmidimensionaalista konfiguraatiota, mistä seuraa kalvon läpäisevyysmuutoksia; syntyy reseptoripotentiaali. Ärsytys siirtyy bipolaari- ja gangliosoluihin ja edelleen gangliosolujen aksoneiden muodostamaa näkörataa pitkin aivoihin.

Ihmisen yhden silmän verkkokalvolla on noin 120 milj. sauvaa ja 7 milj. tappia. Tarkan näkemisen alueella (keltainen läikkä, fovea centralis), jonka halkaisija on vain 0,2 mm (vastaten 1° näkökentästä), on pelkästään tappeja.

Näkyvä valo käsittää aallonpituudet l = 380–780 nm, jota vastaavat taajuudet ovat n = c/l = 380–790 THz; valokvantin energia E = hn = 1,6–3,3 eV. Pimeäadaptoitu sauva antaa vasteen yhteen ainoaan valokvanttiin.

Tappeja on kolmea lajia: ne reagoivat optimaalisesti violetille, vihreälle ja vihertävänkeltaiselle valolle (lopt = 420, 530 ja 560 nm). Kuitenkin usein sanotaan, että tapit ovat herkkiä siniselle, vihreälle ja punaiselle. Tällöin tarkoitetaan, että sininen valo aktivoi parhaiten ensimmäistä tappilajia, vihreä parhaiten toista ja punainen kolmatta lajia. Hyvin heikossakin valossa toimivien, värejä erottelemattomien sauvojen pigmentti on näköpurppura eli rodopsiini, joka absorboi parhaiten sinivihreää valoa (lopt = 500 nm). Hämärässä näemme vain sauvoilla, emmekä siten pysty erottelemaan värejä toisistaan.

Näköpurppuran hajottua päästää solukalvo Ca2+-ioneja lävitseen, minkä johdosta kalvon läpäisevyys K+-ioneille kasvaa ja solu hyperpolarisoituu. Valo siis inhiboi reseptorisoluja, jotka pimeässä vapauttavat neurotransmitteria jatkuvasti; reseptoriin osunut valokvantti lopettaa erityksen. Reseptorisolut puolestaan inhiboivat bipolaarisoluja, joten valon vaikutus bipolaarisoluihin on eksitoiva.

Retinan bipolaari- ja horisontaalisolut antavat vain hitaita vasteita, mutta gangliosolut laukovat aktiopotentiaaleja.

Silmä säätää itse valoherkkyyttään eli adaptoituu. Normaalilla valaistusalueella verkkokalvon solujen lateraalinen inhibitio (viereisten alueiden toiminnan esto) kompensoi koko näkökentän valaistusmuutoksia. Muita säätömekanismeja ovat mm. pupillin pieneminen 8 mm:stä 2 mm:iin sekä erilaiset fotokemialliset ilmiöt, jotka muuttavat silmän valoherkkyyttä hitaasti. Valoherkkyyksien suhde pimeäadaptaation ja maksimaalisen valoadaptaation välillä on peräti 106.

Valon kohdistuessa retinaan voidaan silmän etu- ja takaosan välillä rekisteröidä sähköinen signaali, ns. elektroretinogramma, joka aiheutuu monien aistinsolujen samanaikaisesta toiminnasta. Retinan muuttuvien sähkövirtojen aiheuttama magneettikenttä voidaan mitata magnetoretinogrammana.

Gangliosolujen toiminta

Bipolaarisolut yhdistävät reseptorit gangliosoluihin (Kuva 51); amakriinisolut ja horisontaalisolut taas välittävät tietoa sivusuunnassa. Amakriinisoluja on kymmeniä eri tyyppejä, jotka eroavat toisistaan muotonsa, välittäjäaineen, kokonsa ja tehtävänsä suhteen. Tällainen moninaisuus olisi tarpeeton, jos silmän ainoa tehtävä olisi siirtää informaatio reseptorien aistimasta valon intensiteetistä sellaisenaan aivoihin, mikä voitaisiin toteuttaa kustakin reseptorisolusta korteksille ulottuvalla hermosyyllä. Ihmisen kummassakin näköhermossa on noin 1 milj. aksonia, joten datan kompressiosuhde on luokkaa 100.

Ihmisellä on tarkka näkö ja hyvä värien erotuskyky vain verkkokalvon keskellä, kun taas retinan reunoilla havaitaan helposti liike ja valaistusvaihtelut. Jos jotakin tapahtuu näkökentän laidalla, siirrämme nopeasti katseemme sinne.

Kukin gangliosolu toimii, kun ärsyke kohdistuu sen reseptiiviseen kenttään, joka on pieni ympyränmuotoinen alue retinalla. Voidaan erottaa on-solut, jotka laukovat impulsseja valon syttyessä, ja off-solut, jotka aktivoituvat valon sammuessa (Kuva 54).

On-tyyppisistä gangliosoluista saadaan voimakas vaste valolle reseptiivisen kentän keskustasta (on-keskus), mutta ympäröivää aluetta valaistaessa saadaankin off-vaste (off-ympäristö). Toisaalta off-soluista saadaan voimakas off-vaste reseptiivisen kentän keskustasta mutta on-vaste ympäristöstä. Näiden solujen reseptiivisissä kentissä vallitsee siis keskusta—ympäristö-vastavaikutussuhde eli antagonismi.

Jos koko näkökenttää valaistaan, on on-solun vaste heikompi kuin jos valaistaan vain on-keskusta. Tästä voidaan päätellä, että ympäristön vaikutus on inhibitorinen.

Kun gangliosolun reseptiiviselle kentälle sattuu valo—varjoraja siten, että valo ärsyttää on-keskustaa ja suuri osa off-ympäristöstä on varjossa, laukoo solu erityisen voimakkaasti. Signaali vahvistuu valon ja varjon rajalla ns. lateraalisen inhibition seurauksena. Gangliosolu saa sivulta syöttöä amakriinisolujen kautta ja bipolaarisolu horisontaalisolujen kautta.

Lateraalinen inhibitio johtaa ääriviivojen terävöitymiseen: valon ja varjon rajalle lankeavien gangliosolujen joukko lähettää aivoihin signaalikuvion, jossa valon intensiteettigradientit korostuvat.

Ulompi polvitumake

Gangliosolujen aksonit kulkevat aluksi retinan solukerroksen päällä, jatkaen sitten näköhermoa (optic nerve) myöten ja näköhermonristin eli optisen kiasman (optic chiasm) jälkeen näköjuostetta (optic tract) pitkin talamuksessa sijaitsevaan ulompaan polvitumakkeeseen (lateral geniculate nucleus, LGN, Kuva 7). Kummankin retinan nenänpuoleisten gangliosolujen aksonit ohjautuvat optisessa kiasmassa vastakkaiseen aivopuoliskoon ja ohimonpuoleisten solujen aksonit samalle aivopuoliskolle. Näin näkökentän vasen puolisko projisoituu oikeaan ja oikea puolisko vasempaan aivopuoliskoon.

Gangliosolujen aksonit synapsoivat ulommassa polvitumakkeessa. LGN on järjestynyt kuuteen kerrokseen, joista kaksi sisintä on magno-solujen (suurten solujen) ja loput neljä parvo-solujen kerroksia. Kukin näistä saa signaaleja vain yhdestä silmästä. Vaikka näköhermossa onkin suunnilleen yhtä monta säiettä kuin polvitumakkeessa on neuroneja, kukin säie synapsoi useamman neuronin kanssa. Vierekkäiset neuronit saavat ärsykkeensä läheisiltä retinan alueilta eli järjestys on retinotooppinen. Mittaukset ulomman polvitumakkeen neuroneista antavat samantapaisia vasteita kuin retinan gangliosoluista saatavat (Kuva 55).

Verkkokalvon tarkan näkemisen aluetta palvelee polvitumakkeessa paljon suurempi määrä neuroneja kuin vastaavankokoista retinan laitaosaa. Jotta tämä olisi mahdollista, on kuva ulkoisen tarkkailijan mielestä vääristynyt.

Polvitumakkeen retinotopia ulottuu kerroksesta toiseen. Vaikka kahden peräkkäisen kerroksen informaatio onkin peräisin eri silmistä, päällekkäiset alueet vastaavat samaa näkökentän osaa. Hyvin harvat polvitumakkeen neuronit reagoivat molemmista silmistä tuleville ärsykkeille. Ulommasta polvitumakkeesta lähtevät näköhermosyyt hajaantuvat (radiatio optica), muodostaen edelleen retinotooppisen kartan primääriselle näköaivokuorelle (Brodmannin alue 17 = V1 (visual area 1) = striate cortex; Kuva 5).

Näköinformaation käsittely aivokuorella

Kuva 56 esittää näköaivokuoren kerrosjakoa, jossa kerros 4 on vielä jaettu osiin. Ulompi ja sisempi Baillargerin kimppu näkyvät erityisen selvästi primäärisellä näköaivokuorella; tästä johtuu nimitys striate cortex (juovainen aivokuori).

Retinan tarkan näön alue heijastuu aivokuorella siten, että keskeisnäköä varten on varattu enemmän aivokuorta kuin vastaavankokoiselle ääreisnäkökentän osalle. Kuvausta retinalta aivokuorelle on tutkittu erityisesti apinalla, mutta ihmisen retinotooppinen kartta lienee samankaltainen.

Olkoon xy-koordinaatisto määritelty retinalla niin, että origo on fovean (verkkokalvon tarkan näkemisen alue) keskipisteessä ja olkoon origon vastinpiste aivokuorella määritellyn uv-koordinaatiston origo. Kuvaus retinalta aivokuorelle voidaan esittää kompleksisena logaritmisena muunnoksena, joka on konformikuvaus: w = log(z+a), missä w = u+ iv ja x + iy; i = ÷—1 ja a on vakio. Suurennuskerroin m(x,y) = |dw/dz| on foveaa lukuunottamatta kääntäen verrannollinen etäisyyteen origosta; kuvaus on isotrooppinen eli suurennustekijä ei riipu alkion dz suunnasta.

Retinan gangliosolujen ja ulomman polvitumakkeen neuronien reseptiiviset kentät ovat pyöreitä, ja niissä vallitsee keskustan ja ympäristön vastavaikutussuhde. Aivokuoren solujen reseptiiviset kentät ovat monimutkaisempia. Reseptiivisen kenttänsä perusteella primäärisen näköaivokuoren solut jaetaan yksinkertaisiin ja komplekseihin. Alueilla 18 ja 19 tavataan myös ns. matalamman ja korkeamman kertaluvun hyperkomplekseja soluja.

Yksinkertaiset solut

Näköaivokuoren yksinkertaiset solut antavat on- ja off-vasteita kuten retinan gangliosolut ja ulomman polvitumakkeen neuronit. Eroa on reseptiivisen kentän muodossa: pyöreän sijasta yksinkertaiset solut reagoivat parhaiten pitkulaisille ärsykkeille.

Kuvan 57 esimerkissä kissan yksinkertaisen solun reseptiivinen kenttä on kartoitettu pistemäisellä valolähteellä. Yhden asteen laajuinen valopiste keskellä näkökenttää antaa on-vasteen (eksitaatio), mutta 3° oikealla off-vasteen (inhibitio). Koko näkökentän yhtäaikainen valaiseminen ei tehoa, koska eksitaatio ja inhibitio kumoavat toisensa.

Vahvin vaste saadaan, kun valo peittää solun koko eksitatorisen näkökentän. Jos neuronin reseptiivisen alueen keskusta on off-tyyppiä (Kuva 58 B), voimakas vaste saadaan sauvamaisen varjon peittäessä keskialueen.

Kuva 59 osoittaa, miten vaste muuttuu kuvan 57 esittämässä tapauksessa sauvan kiertyessä. Aivokuorella oleva yksinkertainen neuroni siis havaitsee ärsykkeen paikan lisäksi myös sen asennon. Eri solujen suosimat suunnat vaihtelevat pystysuorasta vaakasuoraan.

Yksinkertaisten solujen aktiopotentiaaleja rekisteröimällä on havaittu, että liikkuva juova aiheuttaa voimakkaamman vasteen kuin paikallaan pysyvä, mikä selittyy sillä, että sekä off- että on-alueet aiheuttavat impulsseja, kun valojuova poistuu edelliseltä ja saapuu jälkimmäiselle.

 

Liikkeen aiheuttama vaste on usein yhtä voimakas molempiin suuntiin; näin on, kun keskialue sijaitsee symmetrisesti reuna-alueisiin nähden (Kuvat 57, 58 A,B). Jos solun reseptiivinen kenttä on epäsymmetrinen, vaste on voimakkaampi valojuovan liikkuessa suuremmalta reuna-alueelta keskustaan kuin päinvastoin. Ilmiön selitys on, että suurempi reuna-alue aiheuttaa enemmän impulsseja kuin pienempi. Myös liikkeen nopeus vaikuttaa solun vasteeseen; optimaalinen nopeus vaihtelee neuronista toiseen, esim. 1°/s tai 10°/s.

Kuva verkkokalvolla ei normaalisti ole levossa, sillä silmämuna liikkuu hieman koko ajan. Jos silmän liikkeet estetään, muuttumatonta kuvaa ei lyhyen ajan kuluttua pystytä tajuamaan.

Useimmat näköaivokuoren yksinkertaiset solut reagoivat molemmista silmistä tuleville ärsykkeille, mutta yleensä jompikumpi silmä dominoi. Eri silmistä lähtevät, samaa näkökentän aluetta palvelevat hermoradat johtavat samalle näköaivokuoren alueelle siten, että vasemman ja oikean silmän dominoimat alueet vuorottelevat noin millimetrin välein.

Retinan gangliosolut kytkeytyvät ulomman polvitumakkeen neuronien välityksellä yksinkertaisiin soluihin näköaivokuorella siten, että ne havaitsevat ärsykkeen paikan ohella myös sen orientaation. Erästä mahdollista kytkentää esittää kuva 60.

 

Kompleksit solut

Yksinkertaisten solujen ohella näköaivokuorella on ns. komplekseja, jotka laukovat voimakkaasti, kun valon ja varjon raja on oikeassa suunnassa; solun koko reseptiivisen alueen valaisu ei anna vastetta. Sen sijaan valaistun ja varjossa olevan alueen rajaviivan paikka on kompleksille solulle vähemmän tärkeää. Näillä neuroneilla ei myöskään ole näkökentässä selvästi havaittavia on- ja off-alueita. Solut laukovat, kunhan oikeansuuntainen ärsyke sijaitsee jossakin niiden reseptiivisen kentän alueella (Kuva 61). Kompleksin neuronin reseptiivinen alue on yleensä suurempi kuin yksinkertaisen. Liikkuva ärsyke vaikuttaa niihin voimakkaammin kuin paikallaan pysyvä; liikkeen suunta on usein ratkaiseva.

Yksinkertaisen solun lähettämien signaalien merkitys on siis oleellisesti toinen kuin kompleksien: edelliset määräävät ärsykkeen paikan ja suunnan, mutta jälkimmäisten antamassa informaatiossa suunta on korostunut paikkainformaation jäädessä vähäisemmäksi.

Hyperkompleksit solut

Primääriseltä näköaivokuorelta (Brodmann 17) on löydetty vain yksinkertaisia ja komplekseja neuroneja. Viereiset alueet 18 ja 19 (Kuva 5) sen sijaan sisältävät soluja, joiden reseptiiviset kentät ovat vielä monimutkaisempia: sieltä löytyy matalamman ja korkeamman asteen hyperkomplekseja soluja. Alueen 18 soluista 90% on komplekseja ja 10% hyperkomplekseja, kun taas alueella 19 hyperkompleksit solut ovat enemmistönä.

Alemman asteen hyperkompleksin solun antama vaste riippuu paitsi valoärsykkeenä toimivan sauvan suunnasta myös sen pituudesta. Maksimivaste saadaan valosauvan liikkuessa solun reseptiivisen alueen yli siten, että sauvan pää sattuu solun eksitatorisen ja inhibitorisen alueen rajalle.

On myös löydetty soluja, jotka reagoivat sauvan molempien päiden paikalle. Nämä solut antavat saman vasteen sekä sauvamaiselle valolle että varjolle. Valon ja pimeän välinen ero on siis kadonnut, mutta sen sijaan saadaan informaatiota ärsykkeen pituudesta.

Korkeamman asteen hyperkomplekseja soluja on erityisesti alueella 19. Näiden neuronien reseptiivinen alue on laajempi kuin alemman asteen hyperkompleksien solujen: soluilla on kaksi ortogonaalista preferenssisuuntaa.

Siirryttäessä yksinkertaisista soluista komplekseihin ja hyperkomplekseihin soluihin ärsykkeen paikasta saatava tieto siis heikkenee tai jakaantuu monien eri solujen kesken, mutta muotoa koskeva informaatio erikoistuu. On avoin kysymys, kuinka pitkälle tämä erikoistuminen jatkuu. Ehkä lopulta tullaan neuroneihin, jotka ovat yhtä erikoistuneita kuin hypoteettinen ns. "isoäitisolu". Se on aktiivinen jos ja vain jos näkökentässä on oma mummi (tai kuullaan mummin ääni tms.). Tämä on kuitenkin epätodennäköistä.

Henkilö, jonka retinassa on esim. leikkausarven seurauksena sokea alue, ei näe vastaavassa näkökentän osassa olevia erillisiä esineitä. Jos tausta sen sijaan on vaikkapa pystyjuovainen tapetti, raidat näyttävät jatkuvan jopa 30°:een suuruisen sokean alueen läpi. Solutasolla tämä voidaan selittää siten, että hyperkompleksit neuronit lähettävät impulsseja vain, kun raidan päätekohta sattuu niiden reseptiivisen kentän sisälle. Sokeaa aluetta palvelleet neuronit ovat luonnollisesti myös hiljaa, mutta aivojen korkeammat keskukset tulkitsevat impulssien puutteen olettamalla, että mitään ei ole tapahtunut eli että raita jatkuu.

Aivopuoliskojen yhteistoiminta

Näkökentän oikealta ja vasemmalta puolelta aivojen eri puolille (Kuva 7) saapuvat kuvat on saatava yhdistymään saumatta. Yhdistysväylänä aivokuoripuoliskojen välillä on aivokurkiainen (corpus callosum). Oikeakätinen normaali henkilö kykenee ilmoittamaan välittömästi oikeaan tai vasempaan käteen pannun esineen nimen. Jos aivokurkiainen on katkaistu esim. vaikean epilepsian hoitamiseksi, esineen nimi voidaan lausua vain, jos se on pantu oikeaan käteen. Tämä siksi, että oikeasta kädestä saapuva tuntoinformaatio käsitellään aivojen vasemmalla puolella, jossa myös puhealueet sijaitsevat.

Jos esine sen sijaan pannaan vasempaan käteen, koehenkilö tajuaa, mistä esineestä on kysymys, mutta hän ei pysty lausumaan sen nimeä. Oikeaan aivopuoliskoon saapunutta tuntoinformaatiota ei voida siirtää vasemmassa aivopuoliskossa olevaan puhekeskukseen, jos aivokurkiaisen hermoradat on katkaistu.

Esineen muodon tajuaminen

Aivot saavat suhteellisen vähän informaatiota valaistuksen absoluuttisesta voimakkuudesta. Vain raja-alueilla olevat solut laukovat impulsseja voimakkaasti. Monet fotometrit perustuvat tähän: niissä silmän annetaan verrata kahta valaistua pintaa, joiden väliset tummuuserot pyritään havaitsijan toimesta poistamaan. Edelleen: alue, joka näyttää valoisalta, kun sitä ympäröi varjo, voidaan saada näyttämään varjolta pelkästään lisäämällä ympäristön kirkkautta.

Miten ihminen loppujen lopuksi tajuaa näkemänsä kuvan on arvailujen varassa. Informaation käsittelyyn osallistuvat miljardit neuronit, jotka usein reagoivat samallekin ärsykkeelle aivan eri tavoin. Toisaalta tarvitaan neuroneja, jotka näkevät näkökentän "suuret linjat". Onko aivoissa olemassa yksi solu tai soluryhmä, "pieni vihreä mies", joka tajuaa kokonaisuuden? Tuskin, sillä tämä olisi liian vaarallista, koska vauriot huipulla tai sen lähellä olisivat aina kohtalokkaita. Tiedämme, että esim. assosiaatioalueilla voi tuhoutua suuriakin aivokuorialueita ja valkeaa ainetta ilman, että potilaan tajunnassa ilmenisi dramaattisia muutoksia. Luultavaa onkin, että tajunta on jakautunut aivoihin samoin kuin muisti. Eräät tutkimustulokset viittaavat siihen, että eri solujen toiminta yhdistettäisiin synkronisten oskillaatioiden avulla. Samaa orientaatiota koodaavat solut sekä alueella 17 että 18 laukovat noin 40 Hz:n taajuudella toistuvina aktiopotentiaaliryöppyinä vasteena samaan esineeseen.

Näköaivokuoren pylväsrakenne

Suuntapylväät

Kissa- ja apinakokeissa on todettu, että näköaivokuoren neuronit ovat järjestäytyneet aivokuoren pintaa vastaan kohtisuoriin pylväisiin (columns). Kussakin pylväässä olevien neuronien suuntapreferenssi on sama (Kuva 64). Kunkin suuntapylvään paksuus on 25–50 mm, ja kaikki suuntapreferenssit välillä 0–180° löydetään 0,5–1,0 mm:n matkalla aivokuoren pinnan suunnassa. Suuntapreferenssin muuttuminen viereisten pylväiden välillä on täten noin 10°.

Suuntapylväiden olemassaolo on osoitettu myös histologisesti. Koe-eläimelle, jonka aivoihin oli ruiskutettu 2-deoxyglukoosia, näytettiin toistuvasti vaakasuoraa valoärsykettä. Tällöin vastaavissa pylväissä olevat neuronit toimivat aktiivisesti ja varastoivat itseensä 2-deoxyglukoosia, joka myöhemmin voitiin todeta autoradiograafisin menetelmin.

Suuntapylväiden kehittymisen on aiemmin arveltu määräytyvän geneettisesti, sillä ne havaitaan myös syntymästään saakka sokeina pidetyillä koe-eläimillä. Tietokonesimulaatioiden avulla on kuitenkin havaittu, että pylväsrakenne voi syntyä myös täysin spontaanisti synaptisten kytkentöjen muuttuessa retinan gangliosolujen satunnaisen toiminnan seurauksena.

Silmien vallitsevuutta kuvaavat pylväät (ocular dominance columns)

Kuten aikaisemmin on todettu, molemmista silmistä saapuvat ärsykkeet vaikuttavat yleensä samaan neuroniin näköaivokuorella. Tarkemmat tutkimukset osoittavat, että useimmiten jompikumpi silmistä dominoi ja että neuronit voidaan jakaa aivokuoren pintaa vastaan kohtisuoriin pylväisiin myös sen mukaan, kumpi silmistä on vallitseva.

Apinan näköaivokuorella alueen 17 kerroksessa IV olevat solut reagoivat (päinvastoin kuin kissalla) vain yhdestä silmästä saapuviin ärsykkeisiin; tässä kerroksessa, johon ulommasta polvitumakkeesta tulevat hermoradat päättyvät, on vain yksinkertaisia soluja. Muissa alueen 17 kerroksissa tavataan myös komplekseja ja hyperkomplekseja soluja, jotka ovat useimmiten binokulaarisia.

Silmien vallitsevuuspylväät saadaan helposti näkyviin. Sopivaa radioaktiivista merkkiainetta ruiskutetaan koe-eläimen toiseen silmään, josta se muutamien päivien kuluessa kulkeutuu aksoneitse ja synapsienkin läpi aivokuorelle ja varastoituu tästä silmästä ärsykkeitä saaviin neuroneihin. Pylväät saadaan näkyviin leikkelemällä aivokuoresta siivuja; viipaleet valottavat filmin, jonka päälle ne on asetettu (Kuva 65). Silmien vallitsevuuspylväät vuorottelevat keskenään ja niiden leveys on noin 0,5 mm.

Pylväiden järjestys näköaivokuorella

Näköinformaation analyysin perusyksikkö alueella 17 on likimain neliömäinen aivokuoren osa, jonka halkaisija on 1 mm ja korkeus 2 mm (Kuva 66); perusyksikkö käsittää parisenkymmentä suuntapylvästä 10°:een välein sekä kaksi silmien vallitsevuutta kuvaavaa pylvästä, yksi kumpaakin silmää varten. Kukin perusyksikkö käsittelee näkökentän yhden alueen. Viereiset yksiköt käsittelevät viereisiä alueita. Kuva 67 esittää kaavamaisesti niiden neuronien paikat, jotka aktivoituvat katsottaessa vasemmalla silmällä vaakasuoraa sauvaa. Vaikutus ulottuu useamman perusyksikön reseptiivisille alueille.

Edellä selostettu näköaivokuoren arkkitehtuuri mahdollistaa useiden muuttujien koodaamisen retinotooppisesti kaksidimensioiselle aivokuorelle. Järjestely vähentää pitkien yhteyksien tarvetta, koska samaa reseptiivistä kenttää koskeva informaatio käsitellään kompaktissa yksikössä. Matka viereisiin perusyksiköihin on myös lyhyt, sillä kaikki saman suuntapreferenssin omaavat neuronit ovat vierekkäin.

Informaation käsittely ei suinkaan lopu perusyksiköissä, vaan muokattu tieto jatkaa korkeamman asteen tietojenkäsittelyalueille, mm. alueille 18 ja 19. Apinalta on identifioitu useita informaatiota käsitteleviä alueita, jotka ovat erikoistuneet esim. värinäön, suuntaherkkyyden, liikkeen tai syvyysnäön suhteen.

 

Muita näköaivokuoren tehtäviä

Värien näkeminen

Ihmisen värinäkö perustuu verkkokalvolla oleviin väriherkkyydeltään erilaisiin tappeihin. Näyttää siltä, että yksinkertaiset, kompleksit ja hyperkompleksit solut määrittävät esineiden muodot ainakin osittain väreistä riippumattomasti.

Ulomman polvitumakkeen neuronien reseptiivisen kentän keskustan ja sitä ympäröivän renkaanmuotoisen alueen väriherkkyydet ovat tavallisesti erilaiset. Esim. punainen valo antaa keskialueelta on-vasteen, kun taas vihreä aiheuttaa inhibition keskialuetta stimuloitaessa ja eksitaation reunaa stimuloitaessa. Pieni osa neuroneista on sellaisia, joissa keskusta—ympäristö-eroa ei ole. Esim. vihreä valo antaa on-vasteen koko reseptiivisen kentän alueelta ja sininen valo off-vasteen. Erot ilmeisesti johtuvat retinan gangliosolujen ja lähellä sijaitsevien tappireseptorien kytkennän yksityiskohdista.

Alueen V4 (Kuva 68) neuroneista apinoilla yli 80% on osoittautunut väriherkiksi, jopa niin voimakkaasti, että solulle, jolle punakeltainen valo antaa voimakkaan vasteen, sininen ärsyke ei aiheuta minkäänlaista reaktiota. Väriherkkien solujen joukossa ovat jälleen edustettuina kaikki tyypit yksinkertaisista hyperkomplekseihin. Reseptiivisen kentän koko vaihtelee myös huomattavasti. Erilaiset "värityypit" löytyvät niinikään alueelta V4 samaan tapaan kuin ulommasta polvitumakkeesta ja alueelta V1 (Brodmann 17). Useimmat V4:n neuronit ovat epäherkkiä valkoiselle valolle.

V4:ltä on löytynyt myös soluja, jotka aallonpituuksien sijasta ovat herkkiä kohteen subjektiiviselle värille. Puhutaan värien vakioisuudesta (color constancy). Tämä tarkoittaa sitä, että esineet nähdään samanvärisinä lähes riippumatta siitä, millä niitä valaistaan. Jos siis esimerkiksi huonetta valaistaan punertavalla valolla (ei kuitenkaan monokromaattisella) siten, että ruusun lehdet aktivoivat tappisoluja samalla tavoin kuin punaiset terälehdet päivänvalossa, nähdään lehdet kuitenkin vihreinä. Tämä on mahdollista sen vuoksi, että näköjärjestelmä pyrkii arvioimaan esineiden heijastuskertoimia eri aallonpituuksille eikä niinkään absoluuttista aallonpituusjakaumaa. Näköjärjestelmä normalisoi värit käyttäen hyväksi koko näkökentästä saatua tietoa. Esineiden näkemisestä samanvärisinä eri valaistusolosuhteissa on hyötyä, sillä muuten eläisimme maailmassa, jonka väritys muuttuisi jatkuvasti valaistusolosuhteiden mukaan.

Värinäkö vaihtelee eläinläjista toiseen. Esim. kissan verkkokalvolla on vain kahdentyyppisiä tappeja, joiden maksimiabsorptio sattuu aallonpituuksien 450 nm ja 556 nm kohdalle. Tämän vuoksi ei voida olla varmoja, että edelläkuvatut, pääasiassa apinoiden värinäköä koskevat koetulokset ovat sellaisinaan sovellettavissa ihmiseen.

Liikkeen havaitseminen

Aikaisemmin on jo todettu, miten liikkuva ärsyke saa alueiden 17, 18, ja 19 yksinkertaiset, kompleksit ja hyperkompleksit neuronit laukomaan kiivaammin kuin paikallaan pysyvä samanlainen ärsyke. Joidenkin solujen antama vaste riippuu myös liikkeen suunnasta.

Apinan aivokuoren superior temporal sulcuksesta (STS, Kuvat 68 ja 69) on löydetty alue, jossa liikkeen suuntaa indikoivia neuroneja on runsaasti.

Eräät liikeneuronit ovat "kaikkiruokaisia". Ne antavat saman vasteen sekä valkoiselle että mustalle sauvalle, olipa sen suunta mikä tahansa, ynnä neliö- tai pistemäisille ärsykkeille, kunhan ne ovat liikkeessä johonkin suuntaan. Useimmat neuronit ovat kuitenkin suuntaherkkiä; maksimivaste saadaan tietynsuuntaiselle liikkeelle, vastakkainen liike ei tehoa. Esineen muodolla ei näidenkään neuronien tapauksessa useinkaan ole merkitystä.

Neuronit, joiden liikepreferenssi on samanlainen, näyttävät kerääntyvän STS:ssä lähelle toisiaan. Siirryttäessä aivokuoren suuntaisesti voimakkaimman reaktion aiheuttavan liikkeen suunta muuttuu säännöllisesti. Kyseessä ovat ilmeisesti aivokuoren pintaa vasten kohtisuorat "liikepylväät".

Yhteenveto näköaivokuoren tehtävistä

Tarkastelemme nyt kertauksenomaisesti näköaivokuoren eri osien tehtäviä ja toimintaa.

Pääosa signaaleista retinalta aivokuorelle kulkee ulomman polvitumakkeen (LGN = Lateral Geniculate Nucleus) kautta primäärille näköaivokuorelle (Brodmannin alue 17, striate cortex, V1) ja sieltä ympäröiville alueille 18 ja 19 (circumstriate area, V2 ja V3). Huomattavasti pienempi määrä hermosyitä johtaa aivokuorelle ylemmän nelikukkulan (superior colliculus) ja pulvinar-tumakkeen kautta.

Pulvinar-tumake, jolla on yhteyksiä eri tahoille, toimii ilmeisesti eräänlaisena informaation siirron releasemana.

Aivoalueilla 18 ja 19 jatkuu primääriseltä näköaivokuorelta (alue 17) saapuvan informaation käsittely mm. hyperkompleksien solujen toimesta. Alueiden neuroneilla on myös erikoistehtäviä kuten etäisyysanalyysiä.

Monet alueiden V4 ja V4A (Kuva 68) soluista ovat väriherkkiä. Jotkut niistä reagoivat aina tietylle aallonpituudelle, toiset taas ottavat huomioon myös ärsykkeen muodon. Näillä alueilla neuronien järjestys aivokuorella ei vastaa näkökentän topografiaa.

STS:n alueella olevat, liikkeen suuntaa ja nopeutta analysoivat neuronit saavat informaationsa alueilta 17, 18 ja 19. Solujen järjestys on lievästi topografinen.

Vaikka tunnemmekin jo kissan ja apinan näköaivokuorien toiminnan pääpiirteet, tietämyksessämme on vielä paljon aukkoja. Suurin puute on kuitenkin se, että verrattomasti mielenkiintoisin ja tärkein tutkimuskohde, ihminen on puutteellisesti tunnettu. Viime aikoina on kuitenkin edistytty ripeästi toiminnallisten alueiden kartoituksessa myös ihmisellä, kun PET, fMRI, MEG, EEG ja magneettistimulaatio ovat antaneet mahdollisuuden tutkia ihmisaivoja noninvasiivisesti.

Ympäristötekijöiden vaikutus näköaivokuoren kehittymiseen

Kissan- ja apinanpoikasten näkökyky

Jotta eläin tajuaisi näkemänsä tarkoituksenmukaisella tavalla, näköjärjestelmän eri osien täsmällinen yhteistoiminta on oleellisen tärkeää. Geneettisestä koodista ilmeisesti riippuvat sangen tarkkaan näköaivokuoren samoin kuin muidenkin aivojen osien pääpiirteet, mutta yksityiskohtaiset kytkennät ja niiden voimakkuudet määräytyvät varsinkin lapsuuden tiettyinä aikoina saatujen ärsykkeiden perusteella.

Kaikki ei siis ole syntymästä saakka valmista, vaan kehitys jatkuu eri eläimillä eri pituisia aikoja. Esim. kissanpoikaset syntyvät silmät kiinni; jos silmäluomi avataan, pupillin todetaan toimivan, vaikka poikanen ilmeisesti muuten ei valoa pysty tulkitsemaan. Noin 14 vrk:n vanhoina kissanpoikaset alkavat tajuta näkemäänsä, ja sen jälkeen kehitys on nopeaa. Jos poikanen kasvatetaan pimeässä, se on vanhempana sokea, vaikka pupilli edelleen toimii. Kissan näköjärjestelmä siis vaatii kehittyäkseen käyttöä, joskin sen eräät osat, kuten pupilli toimivat joka tapauksessa.

Tietyt neuronien väliset kytkennät ovat olemassa jo eläimen syntyessä. Tämä ei kuitenkaan todista, että kytkennät olisivat geneettisesti määräytyneitä, sillä jo sikiökaudella neuronit toimivat ja kytkennät saattavat olla varsin pitkälle tämän satunnaistoiminnan seurausta.

Silmien vallitsevuutta koskevat tutkimukset ovat myös antaneet mielenkiintoisia tuloksia. Kokeet osoittavat, että myös tässä suhteessa vastasyntyneen kissan ja apinanpoikasen näköaivokuoren alueen 17 neuronien käyttäytyminen on lähes sama kuin aikuisilla eläimillä. Myös pylväsrakenne (Kuva 66) on syntymästä saakka valmiina.

Epänormaalien olosuhteiden vaikutus

Kissanpoikaset, joiden toinen silmäluomi ommeltiin kiinni viikon vanhana, kehittyivät normaalisti ja käyttivät avointa silmäänsä. Kun aikaisemmin suljettuna pidetty silmä avattiin poikasten ollessa 1–3 kk:n ikäisiä ja toinen silmä suljettiin, havaittiin, että viikon vanhana suljettu ja aikaisintaan 1 kk:n ikäisenä avattu silmä oli pysyvästi sokea. Pupilli kuitenkin edelleen toimi.

Mikroelektrodimittaukset retinan gangliosoluista ja LGN:stä antoivat normaalit reaktiot. Näköaivokuoren alueen 17 neuronit sen sijaan reagoivat epänormaalisti: vain muutamat solut reagoivat sokeaan silmään annetulle ärsykkeelle. Mittaukset tehtiin viiden kissanpennun aivokuoren 199 neuronista, joista vain 13 antoi vasteen 2–3 kk suljettuna pidetystä silmästä.

Jos kissanpennun toinen silmä suljetaan vasta 4 kk:n iässä, mitään erikoista ei ilmene; myöhemmin avattuna silmä toimii normaalisti, ja aivokuorelta saadaan tavallinen silmien vallitsevuutta kuvaava histogrammi. Täysikasvuisen kissan toisen silmäluomen kiinnineulominen vaikkapa vuoden ajaksi ei aiheuta havaittavia muutoksia aivokuoren neuronien käyttäytymisessä.

Kissanpennun kriittinen elämänvaihe, jolloin silmän sulkeminen aiheuttaa pahimmat vauriot, on 4–5 viikon ikäisenä; tällöin jo 3–4 vrk:n pituinen toisen silmäluomen kiinnineulominen aiheuttaa pysyvän muutoksen silmien vallitsevuutta kuvaavassa histogrammissa.

Eläinkokeiden tulokset ovat yhtäpitäviä ihmisillä tehtyjen havaintojen kanssa. Jos täysikasvuisella kaihin vuoksi pitkään sokeana olleesta silmästä poistetaan leikkauksella samea linssi, näkö palaa. Sen sijaan vauvaiästä asti sokeana olleelle silmälle tehty samanlainen leikkaus ei yleensä palauta näköä. Yleisesti siis havaitaan, että vaikka näköaivokuori on syntymähetkellä pitkälle kehittynyt, jommankumman silmän käyttämättä jättäminen kriittisessä kehitysvaiheessa aiheuttaa vakavia ja pysyviä muutoksia.

Silmän sulkemisen aiheuttamat muutokset ulomman polvitumakkeen soluissa ja näköaivokuorella

Kissanpoikia on myös kasvatettu olosuhteissa, joissa ne näkivät pääasiassa vain yhdensuuntaisia näköärsykkeitä: pennut elivät pienessä huoneessa, jossa oli raidallinen tapetti. Myöhempi rekisteröinti aivokuorelta osoitti, että useimpien neuronien suuntapreferenssi oli vallitsevan ärsykkeen suunnan mukainen. Tulos näyttää, että aivokuoren neuronit joko voivat muuttaa suuntapreferenssiään olosuhteiden mukaan tai että vain niiden solujen suuntapreferenssi oli säilynyt, jotka olivat saaneet oikeaa stimulaatiota.

Näköjärjestelmän kehityksessä todetulla kriittisellä periodilla saattaa olla syvällinen merkitys: lapsen on oikeina ikäkausina saatava sopivia ärsykkeitä, jotta hänestä kehittyisi normaalikyvyt omaava yksilö.

Rinnakkaiset signaalitiet

Puhuttaessa rinnakkaisista näköinformaation signaaliteistä (visual streams) tarkoitetaan sitä, että nähdyn kuvan erilaisia attribuutteja koodaavat signaalit etenevät aivoissa eri reittejä. On edelleen epäselvää, miten attribuuteista lopulta muotoutuu yhtenäinen havainto, jossa esim. väri-informaatio täsmää eri signaalitietä välitetyn muotoa koskevan informaation kanssa. Eri attribuuttien moniportainen, rinnakkainen käsittely on ilmeisen tehokas järjestely, ja se näyttääkin olevan aivojen organisaation yleisperiaate. Signaaliteiden välillä on toki rinnakkaisia kytkentöjä. Yleisperiaate on myös se, että ylemmiltä alueilta alemmille on runsaasti takaisinkytkentöjä.

Rinnakkaisesta prosessoinneista on myös kliinistä tietoa. Esimerkiksi sopiva bilateraalinen leesio voi viedä värinäön ilman muuta havaittavaa haittaa; myös liikkeen havaitsemiskyky voidaan menettää erikseen. Nämä muutokset voidaan selittää sillä, että värinäölle välttämätön alue (apinalla V4) on vaurioitunut tai että liikealue (apinalla esim. MT) on lamautunut. Ihminen voi myös selektiivisesti menettää välittömän kykynsä tunnistaa kasvoja, vaikka näkö muuten säilyykin moitteettomana.

Huomattava osa gangliosolujen aksoneista haarautuu sekundaarisena ratana ylempään nelikukkulaan (superior colliculus) ja talamuksen pulvinar-tumakkeeseen, joista on yhteydet inferotemporaalikorteksille ja myös näköaivokuorelle. Lisäksi näköinformaatiota menee hypotalamukseen ja käpyrauhaseen.

Retinan gangliosolut jaetaan luokkiin Pa ja Pb (tai luokat A ja B): edellinen synapsoi LGN:n magno- ja jälkimmäinen parvokerroksessa. Jako magno- ja parvokanaviin jatkuu pitkälle visuaalisella aivokuorella. Magnosysteemillä on hyvä kontrastierottelu ja hyvä aikaresoluutio. Parvojärjestelmä koodaa värejä ja sillä on hyvä paikkaresoluutio: reseptiiviset kentät ovat pieniä.

LGN:n magnosolut synapsoivat alueen 17 kerroksessa 4Ca, parvosolut kerroksessa 4Cb (Alueella 17 kerros 4 jakautuu kolmeen kerrokseen 4A, 4B, ja 4C ja kerros 4C puolestaan kahteen osaan 4Ca ja 4Cb). Parvosignaalit jatkavat saman alueen kerroksiin 2 ja 3, jakautuen läiskiin (blobeihin ) ja niiden väleihin (interblob). Blobit, joiden halkaisija on 0,2 mm ja joita on 0,5 mm:n välein, saadaan tummina näkyviin cytochrome oxidase -entsyymivärjäyksellä. Blobeihin sekoittunee myös jonkin verran magnosysteemin informaatiota. Pääosa magnosignaaleista jatkaa alueella 17 kerroksesta 4Ca kerrokseen 4B.

Kerroksen 4B magnosolut ovat orientaatioselektiivisiä (yksinkertaisia soluja), monet myös liikeherkkiä. Niiltä puuttuu väriherkkyys. Magnosignaalit jatkavat alueen 17 kerroksesta 4B joko suoraan tai alueen 18 samalla värjäyksellä näkyvien leveiden juovien kautta mm. liikealueelle MT.

Vaikka interblob-solut saavat signaalinsa väriherkästä parvosysteemistä, solut itse eivät ole väriherkkiä. Tosin osa niistä reagoi värien välisiin rajoihin näkökentässä, joskin riippumatta siitä mitkä värit ovat kyseessä. Interblob-solut välittävät tarkkaa muotoinformaatiota; ne ovat orientaatioselektiivisiä. Blobiväleistä signaali jatkaa alueen 18 vaaleisiin juoviin eli juovien väleihin (pale stripes = interstripes).

Blobien solut ovat väriherkkiä, niillä ei ole suuntaherkkyyttä, paikkaresoluutio on huono. Blobeissa on paljon kaksoisopponenttisoluja: niillä on keskusta—reuna-antagonismin lisäksi vastakkainen vaste eri väreille. Esim. jokin solu voidaan aktivoida reseptiivisen kentän keskelle osuvalla punaisella tai reuna-alueelle osuvalla vihreallä valolla ja inhiboida keskelle osuvalla vihreällä tai reunalle osuvalla punaisella valolla. Blobeista signaalit jatkavat alueen 18 ohuisiin juoviin.

Kuva 70 esittää näköjärjestelmän funktionaalista segregaatiota. Lisätietoa etsivälle suositellaan kuvan alkuperäjulkaisua: Livingstone ja Hubel (1988), Science 240, 740–749.

Tuntoaisti

Hermopäätteet

Ihon, sisäelinten, lihasten ja nivelten tuntoreseptorit viestivät kivusta, kosketuksesta, lämpötilasta, paineesta ja asennosta. Reseptorit jaetaan rakenteensa perusteella vapaisiin ja sidekudoskapselin ympäröimiin hermopäätteisiin. Tuntoreseptorien aktivoituminen mekaanisesti johtuu ilmeisesti Na-kanavien suurentumisesta solukalvon venytyksessä (Kuva 71).

 

Vapaat reseptorit ovat hermosolujen haarautumia (Kuva 72), jotka voivat ärtyä kosketuksen tai esim. lämmön seurauksena. Kipuaistimus välittyy vapaiden reseptorien kautta; hammasjuuressa on pelkästään niitä. Vapaat reseptorit välittävät muualla myös muunkinlaisia tuntemuksia. Lihaksissa ja jänteissä ne viestivät nivelien ja lihasten asennosta (proprioseptio), ihossa kosketuksesta ja sisäelimistössä mahalaukun, suoliston ja virtsarakon täyttymisasteesta.

Merkelin kiekot ovat ihon pintakerroksen kosketukselle herkkiä myeliinitupellisilla hermosyillä varustettuja rakenteita.

Meissnerin keräset ovat sidekudoksen kapseloimia. Niitä on ihon nystyröissä aistimassa kosketusta. Niistä lähtevät hermot ovat myeliinitupellisia.

Pacinin keräset ovat myös kapseloituneita, mutta ne ovat syvemmällä ihon alla, luiden ja jänteiden yhteydessä sekä suolistossa. Nämä hermopäätteet aistivat herkästi kosketusta ja varsinkin korkeataajuista (>150 Hz) värinää.

 

Hermopäätteiden toiminta

Tuntoreseptoreissa depolarisaatio laukaisee aktiopotentiaaleja sitä suuremmalla taajuudella mitä voimakkaampi ärsyke on. Useimpien reseptorien vaste heikkenee ärsytystä jatkettaessa. Osa hermopäätteistä adaptoituu hitaasti, osa taas hyvin nopeasti. Esim. ihon karvatuppireseptori reagoi herkästi karvan taivutukseen, mutta sen antama vaste sammuu heti, kun karvan liike lakkaa, vaikka taivutuskulmaa ylläpidettäisiinkin. Eräät ihon painetta aistivat reseptorit, mm. Merkelin kiekot, taas jatkavat toimintaansa pitkän aikaa, vaikka ärsytyspaine pysyisikin vakiona.

Ohuimpien aksonien ionikonsentraatiot muuttuvat melko paljon aktiopotentiaalien aikana eivätkä kalvopumput aina pysy mukana. Pitoisuuksien tasoittuessa aistimus vähitellen heikkenee.

Kukin ihon kohta kuuluu monen hermosyyn reseptiiviseen kenttään eli alueeseen, jota ärsytettäessä hermo reagoi. Sitä ihon aluetta, jonka hermotus välittyy yhden selkäydinhermon kautta, kutsutaan dermatomiksi (Kuva 73).

Tuntoradat

Takajuosteetovat selkäytimen takaosan hermoratoja, jotka välittävät nopeaa kosketustuntoa, värinätuntoa ja nivelten asentotuntoa. Takajuosteaksonit alkavat ihon reseptoreista ja ulottuvat aina ydinjatkoksen takajuostetumakkeisiin (nucleus gracilis ja nucleus cuneatus), jossa ne synapsoivat seuraaviin soluihin. Toisen solun aksoni menee lemniscus medialista aivorungon toiselle puolelle ja nousee talamuksen ventroposterolateralis (VPL) -tumakkeeseen. Kolmas solu välittää signaalin tuntoaivokuorelle.

Myelinisoidut ventraalinen ja dorsaalinen spinoserebellaarirata viestivät lihasten ja jänteiden tilasta. Aistinsolut synapsoivat selkäytimen harmaassa aineessa ja ketjun toisten neuronien aksonit menevät joko ipsi- (dorsaalinen rata) tai kontralateraalisesti (ventraalinen) pikkuaivoihin.

Anterolateraalinen rata välittää kipua sekä lämmön ja kylmän tunnetta. Suurin osa säikeistä synapsoi retikulaariformaatiossa ja pieni osa talamuksessa.

Reseptiiviset kentät

Kun talamuksen ja tuntoaivokuoren neuronien reseptiivisiä kenttiä tutkitaan kuten kuvassa 75, havaitaan useimpien neuronien keräävän informaatiota laajalta alueelta. Sormien päissä ja muualla, missä tarvitaan herkkää tuntoaistia, reseptiiviset kentät ovat pieniä ja vähemmän tärkeillä alueilla taas suurempia. Sormenpäät erottavat toisistaan 1–2 mm:n päässä olevat ärsytykset, kun taas selässä resoluutio on 30–70 mm:n luokkaa.

Primäärinen tuntoaivokuori (S1)

Primäärinen tuntoaivokuori S1 (Kuva 9) sijaitsee keskusvaon takana (postcentral gyrus); kehon oikea puoli on edustettuna vasemmalla ja vasen oikealla. Tuntoinformaatiota käsitellään lisäksi alueella S2, joka on pienempi kuin S1.

Tärkeät kehon alueet ovat saaneet tuntoaivokuorelta suuren osuuden toisarvoisempien alueiden kustannuksella (Kuva 77). Aivoleikkausten aikana korteksia voidaan ärsyttää pienillä sähköiskuilla potilaan ollessa valveilla. Ärsytyksen seurauksena tämä voi tuntea kutinaa, nähdä valonvälähdyksiä tai kuulla ääniä tahi muistaa yhtäkkiä jonkin asian; aivokuoren ärsyttäminen ei aiheuta kipua.

Apinalla sama ihon alue on edustettuna moneen kertaan aivokuoren eri alueilla. Kartta on määrätty mittaamalla yksittäisten solujen vasteita samalla kun kehon osia on ärsytetty kuvan 75 tapaisella koejärjestelyllä.

Kuten näköaivokuorella, S1:lläkin voidaan havaita pylväsrakenne (Kuva 79). Tietyn kohdan erityyppisistä reseptoreista tulevat signaalit saapuvat lähelle toisiaan, mutta erillisiin pylväisiin.

Eräässä kokeessa löydettiin 84 pylvästä, joiden neuronit reagoivat pelkästään ihon pinnan kosketukselle; monet näistä soluista antoivat vasteen ainoastaan ihokarvojen liikkeelle. 19 muussa pylväässä oli soluja, joista toiset reagoivat ihon pinnan sivelylle ja toiset ihon voimakkaaseen painamiseen. Samassa pylväässä olevien neuronien reseptiiviset kentät olivat lähes identtiset.

Kun mikroelektrodia kuljetettiin 45°:n kulmassa aivokuoren pintaa vasten, peräkkäiset neuronit reagoivat yleensä erilaatuisille ärsykkeille. Sivulle siirryttäessä tultiin samalla vähitellen ihon uusille reseptiivisille alueille. Analogia näköaivokuoren kanssa on ilmeinen. Itse asiassa kolumnaarinen järjestelmä kuvattiinkin viisikymmentäluvulla ensin tuntoaivokuorelta.

Ihon aivokuorikartat määräytyvät paitsi perimän ja sikiökautisen kehityksen tuloksena, myös aikuisiän kokemusten seurauksena. Ihon normaali käyttö, hermojen puudutus, hermon, selkäytimen tai aivokuoren vaurio ja raajan amputaatio kaikki muuttavat näitä edustuksia. Kartat ovat jatkuvasti muuttuvia normaalioloissakin; yksilöllisten kokemusten summa on edustettuna niissä. Eri yksilöiden tuntokartat poikkeavatkin jonkin verran toisistaan. Muutokset kehittyvät hitaasti: ensimmäiset muutokset näkyvät muutamien tuntien tai päivien kuluttua manipulaatiosta.

Tuntoaivokuori S2

Tuntoaivokuoren S2 neuronit antavat tavallisesti vasteen määrätystä paikasta peräisin olevalle, tietyn tyyppiselle ärsykkeelle. Näiden solujen reseptiiviset kentät ovat yleensä pieniä ja sijaitsevat kehon vastakkaisella puolella. S2:n neuronit ovat myös järjestyneet topografisesti (Kuva 81). Apinoita tutkimalla on todettu, että monet alueen S2 neuroneista antavat bilateraalisen vasteen, jolloin kehon kontra- ja ipsilateraalisen puolen reseptiiviset kentät ovat ruumiin symmetriatasoon nähden toisiaan vastaavissa kohdissa. Kun reseptiiviset alueet sijaitsevat lähellä keskiviivaa, niiden koko on yleensä suurempi ja ne jatkuvat keskiviivan yli. Sen sijaan esim. raajojen päissä reseptiiviset kentät ovat pieniä ja epäjatkuvia.

 

Sekundääriset somatosensoriset alueet

S1:n ja S2:n ulkopuolella on sekundäärisiä tuntoalueita. Yksikkösolurekisteröinneissä näiden alueiden solut reagoivat eri tuntomodaliteeteista (siis eri tuntoreseptorityypeistä) tulevien ärsykkeiden yhteisvaikutuksille ja yhdistävät eri somatosensorisia piirteitä, jotka liittyvät liikeaistimukseen. Jos primäärisellä tuntoaivokuorella koodataan pienten alkeisliikkeiden aiheuttamia tuntoaistimuksia, sekundäärisilla alueilla ovat edustettuina laajemmat liikkeet ja monimutkaisemmat liikesarjat. Ohimolohkon assosiaatioalueilla sitten yhdistetään myös näkö- ja kuuloinformaatiota tähän monimutkaisempaan tuntotietämykseen.

Makuaisti

Makuaisti on neliulotteinen: tunnemme vain neljä perusmakua: hapan, karvas, makea ja suolainen. Näiden suhteelliset osuudet mutta myös samalla aistittavat hajut sekä ruoan rakenne, lämpötila sekä näläntunne määräävät makuaistimuksen. Makuaisti perustuu molekyylirakenteen tunnistamiseen: esimerkiksi happaman maun reseptorit reagoivat protoneille ja makean reseptorit ruokosokerin molekyylirakenteelle. Makureseptorit sijaitsevat suuontelossa, erityisesti kielessä mutta myös kitalaessa, ikenissä ja ruokatorven alkuosassa. Eri makujen reseptorit sijaitsevat hieman eri paikoissa. Makeaan herkimmin reagoivat reseptorit ovat kielen kärjessä, karvas maistetaan parhaiten kielen takaosassa.

Makureseptorit ovat 50 kappaleen nystyissä, jotka uusiutuvat noin 10 päivän välein. Reseptorin kantaan liittyy hermopääte ja välille muodostuu tyypillinen synapsi. Yksi hermosäie kuljettaa tietoa useista reseptoreista. Kolme eri aivohermoa osallistuu makuinformaation välitykseen.

Makuhermosäikeet synapsoivat talamuksessa, josta ne jatkavat aivokuoren makualueelle lähelle kielen tuntoaluetta. Toinen aivokuoren makualue sijaitsee insulassa. Ydinjatkoksesta kulkee hermoratoja myös aivorungon makualueelle, joista taas on yhteyksiä limbiseen järjestelmään: tämä ratayhteys todennäköisesti välittää makuihin liittyvää emotionaalista sisältöä.

Hajuaisti

Hajuaistimukset menevät suoraan tunne-elämää hallitsevan limbisen järjestelmän rakenteisiin. Hajuaistin merkitys on ihmiselle melko pieni, mutta tunteiden säätelyalueet ovat kehittyneet varsin laajoiksi.

Hajureseptorit ovat nenäontelon yläosassa. Hajuepiteelin bipolaaristen solujen värekarvat ulottuvat limakalvolle, jossa ne saavat kosketuksen hengitysilman sisältämien hajumolekyylien kanssa. Jos molekyylit ovat sopivia, syntyy soluun reseptoripotentiaali. Se voidaan mitata limakalvolta elektro-olfaktogrammana. Bipolaarisolun toinen pää, aksoni, johtaa signaalit seulaluun läpi hajukäämiin (Kuva 83). Koska matka ei ole pitkä eikä hajuinformaatiolla yleensä ole suurta kiirettä, käyttää hajuhermo halkaisijaltaan vain 0,1–0,2 mm:n aksoneita.

Hajuhermo johtaa suoraan isoihin aivoihin. Hermon syyt synapsoivat hajukäämin purjesolujen kanssa keräsissä, joihin kuhunkin tulee noin 25000 aksonia. Toisena olevat solut ulottavat aksoninsa hajuaivokuorelle saakka. Osa signaalihaaroista menee amygdalaan ja limbisen järjestelmän muihin osiin.

Hajuaivokuori sijaitsee otsalohkon alapinnalla silmäkuoppien yläpuolella (orbitofrontaalinen aivokuori). Hajuneuroneja kuolee jatkuvasti ja niiden sijalle syntyy tyvisoluista uusia: hajuaisti on ainoa nisäkkäiden hermoston osa, jossa neurogeneesi jatkuu voimaakkaana koko elämän ajan.

Neuronit, jotka reagoivat samaan aineeseen, eivät ole tasaisesti jakautuneet limakalvolla ja hajukäämissä. Erilaiset hajuaineet näyttävät synnyttävän erilaisen spatiaalisen aktiviteetin: limakalvon ja hajukäämin välinen topografinen järjestyneisyys antaa aiheen olettaa, että myös hajukäämissä tilanne on samankaltainen.

Hajuaivokuoren toimintaa on yritetty ymmärtää myös epälineaarisia dynaamisia systeemejä kuvaavan kaaosteorian avulla. Tätä muotiteoriaa aivoihin soveltanut Walter Freeman (Scientific American, helmikuu 1991) väittää, että hajuaivokuoren toiminnan ja yleensä havainnoinnin selittämiseksi on välttämätöntä tarkastella systeemin kaoottisia ominaisuuksia. Vaikka on selvää, että aivot ovat kaoottinen järjestelmä, on Freemanin johtopäätöksiin suhtauduttava varauksella.

Kuulo

Korvan rakenne

Ilmassa etenevä ääni saapuu ulkokorvaan, johon kuuluu korvalehti ja tärykalvoon päättyvä korvakäytävä (Kuva 84). Värähtely välittyy tärykalvoon kiinnittyneen vasaran ja muiden kuuloluiden (alasin ja jalustin) kautta sisäkorvassa olevaan simpukkaan ja siellä olevaan nesteeseen. Vasara on kiinni tärykalvossa ja jalustin simpukkaan johtavassa eteisikkunassa.

Tärykalvon pinta-ala on noin 15-kertainen eteisikkunaan verrattuna. Pinta-alaero ja kuuloketjun vipujärjestelmä toimivat ilman ja sisäkorvan välisenä impedanssisovituksena. Sovitus vähentää äänen heijastumista tärykalvosta ja akustisesta energiasta saadaan suurempi osa talteen.

Simpukka (Kuva 85) on ihmisellä noin 35 mm pitkä; siinä on vajaat 3 kierrosta. Ääniaallot etenevät eteiskäytävää ja kuulokäytävää pitkin simpukan ikkunaan liikuttaen basilaarikalvoa, johon liittyy ns. Cortin elin. Korkeataajuisten äänien värähtelyamplitudi on suurin eteisikkunan lähellä, jossa basilaarikalvo on kapea. Mentäessä kohti simpukan keskustaa kalvo levenee, ja matalien äänien värähtelymaksimit sijoittuvat syvemmälle. Taajuusherkkyyden paikkariippuvuutta kutsutaan tonotopiaksi; se säilyy aina kuuloaivokuorelle saakka. Matalilla taajuuksilla myös hermosolujen pulssisarjat seuraavat ääniaaltojen tahtia; korkeissa äänissä impulssinopeus ei kuitenkaan riitä taajuuksia koodaamaan. Äänen voimakkuus koodataan solujen laukomistaajuutena kuulohermossa kun taas eri taajuiset äänet välittyvät eri kuulohermon aksoneja pitkin.

Cortin elin (Kuvat 86 ja 87) muuttaa äänisignaalin hermoimpulsseiksi. Kuulohermon syyt lähtevät ulompien ja sisempien karvasolujen kohdalta. Solujen pinnalla on värekarvoja, joiden rivit taipuvat basilaarikalvon liikkuessa. Tällöin syntyy jännitteen vaihtelu karvasolun kalvolla. Tärkeä tekijä jännitevaihteluissa on karvasolun sisäosan ja simpukkatiehyen sisältämän nesteen välinen pysyvä potentiaaliero (sisäpuoli negatiivinen), joka aiheutuu erilaisista ionikonsentraatioista.

Ulommat karvasolut aistivat heikompia ääniä kuin sisemmät. Vasta kun äänenpaine saavuttaa tietyn tason, sisemmät karvasolut alkavat lähettää impulsseja aivoihin. Kun äänenpainetta tästä vielä nostetaan, sisempien karvasolujen toiminta lisääntyy jyrkemmin kuin ulompien.

Ulommista karvasoluista peräisin olevat hermosyyt (aksonit) kulkevat pitkän matkaa simpukassa ja ne ovat synaptisessa yhteydessä hyvin monien ulompien karvasolujen kanssa. Sisempien karvasolujen hermosyyt sen sijaan synapsoivat vain harvojen lähellä sijaitsevien aistinsolujen kanssa. Tästä syystä sisempien karvasolujen hermosyiden määrä kuulohermossa on paljon suurempi kuin ulompien.

Noin 90% kuulohermon syistä on myelinisoituja. Suurin osa niistä on peräisin sisemmistä karvasoluista, kun taas ulompien solujen syyt ovat hitaammin johtavia. Näiden rakenteellisten erojen perusteella ulommat karvasolut voivat paremmin aistia heikkoja ääniä, koska niihin kerääntyy ärsytys laajalta alalta. Sen sijaan voimakkaampien äänien korkeuden analyysissä sisemmät karvasolut voivat välittää täsmällisemmin tiedot basilaarikalvon liikkeiden paikasta ja ajoituksesta.

Kuva 88 esittää ihmisen kuuloaluetta. Puheen ymmärtämiseen tarvitaan kaista 300–4000 Hz. Matalilla ja korkeilla jaksoilla kuulomme on epäherkkä, ja 20 Hz:n ja 20 kHz:n kohdalla kuulo- ja kipukynnys yhtyvät. Eräiden eläinten kuuloalue ulottuu hyvin korkeisiin (lepakot 150 kHz) tai mataliin (myyrät 1 Hz) ääniin.

Kuuloinformaation kulku korvasta kuuloaivokuorelle

Kukin kuulohermon aksoni reagoi vain tietyn taajuusalueen äänille. Kuva 89 esittää kissan kuulohermon eri syiden vastealueita. Käyrän matalin piste osoittaa kyseisen hermosyyn ominaistaajuuden, jolla siis vaste saadaan pienimmällä äänenvoimakkuudella. Kun ärsyttävän äänen taajuutta tästä muutetaan, täytyy myös voimakkuutta lisätä, jotta hermosyy toimisi. Kauempana ominaistaajuudesta ei saada vastetta kovillekaan äänille. Yhdessä eri hermosyiden vastealueet peittävät koko kuuloalueen.

Ääni muodostaa simpukkaan seisovia aaltoja, joiden amplitudin maksimikohta riippuu taajuudesta. Tässä mielessä kuulohermon kunkin syyn vastealue vastaa tunto- tai näköhermon syyn reseptiivistä kenttää.

Kuva 8 esittää nousevia kuuloratoja. Sisäkorvan simpukasta kuuloketjun ensimmäisten neuronien aksonit kulkevat aivorungon samanpuoleiseen nucleus cochlearikseen, jossa suurin osa kuuloradan toisen synapsin jälkeisistä aksoneista ristitsee pään vastakkaiselle puolelle synapsoiden nucleus olivarius superiorissa. Täältä kolmansien neuronien aksonit nousevat lemniscus lateralista pitkin alempaan nelikukkulaan (colliculus inferior). Neljänsien neuronien aksonit johtavat talamuksen sisempään polvitumakkeeseen (geniculatum mediale). Vasta kuuloradan viides neuroni yltää kuuloaivokuorelle, joka on ohimolohkon yläpinnalla Sylviuksen uurteessa (sivuvaossa).

Kuulorata todennäköisesti muokkaa tulevaa informaatiota enemmän kuin vähemmän peräkkäisiä synapseja sisältävä näkörata. Mitä ylemmäs kuuloradan tumakkeissa kiivetään, sitä enemmän pelkästään muutoksiin (transientteihin) reagoivia soluja löytyy. Kuulorata eristää kiinnostavia signaalimuutoksia äänten joukosta. Korvista tulevat radat ristitsevät vain osittain.

Kuuloradassa voidaan erottaa kaksi osaa: tonotooppinen ja ei-tonotooppinen. Nämä kulkevat talamuksen eri tumakkeiden kautta.

Kuuloaivokuori

Kuuloaivokuoren tonotopia

Kuuloaivokuori sijaitsee Sylviuksen uurteen sisällä ohimolohkon yläpinnalla ja käsittää useita sytoarkkitehtoonisia alueita, jotka vasemmalla ovat usein laajempia kuin oikealla. Apinalla, jonka kuuloaivokuori tunnetaan tarkemmin kuin ihmisen, on kaksitoista erityyppistä kuuloaluetta järjestyneinä kolmeksi rinnakkaiseksi jonoksi, neljä aluetta kussakin jonossa. Ei ole syytä olettaa, että ihmisen kuulojärjestelmä olisi yksinkertaisempi.

Primäärisen kuuloaivokuoren A1 neuronien antamia vasteita tutkimalla on todettu, että aivosolut reagoivat niille ominaisille taajuuksille. Tämä on kuvan 89 perusteella odotettavissa. Kuitenkin vain osa A1:n neuroneista antaa parhaan vasteen tietylle taajuudelle. Kuuloaivokuori on järjestynyt taajuuden mukaan eli tonotooppisesti. Yhden oktaavin taajuusalue on noin 2 mm leveä. Järjestys kissan kuuloaivokuorella ei kuitenkaan ole kovin selvä. Syvyyssuunnassa samasta kohdasta mitattujen solujen paras taajuus vaihtelee noin puoli oktaavia (oktaavi = tekijä 2 taajuudessa); kuuloaivokuoren kolumnit eivät siis ole erityisen tarkkoja taajuuden suhteen.

Apinalla korkeisiin taajuuksiin reagoivat solut sijaitsevat mediaalisesti ja takana. Magneettisilla mittauksilla, käyttäen SQUIDiä anturina, on osoitettu ihmisen kuuloaivokuorella vastaavantyyppinen tonotopia. Koehenkilön annettiin kuunnella määrätynkorkuista amplitudimoduloitua jatkuvaa ääntä. Stimulusta seuraava magneettinen kenttä mitattiin eri kohdissa pään ulkopuolella, lähellä primääristä kuuloaivokuorta. Tulokset osoittivat, että kuuloärsykkeen aiheuttama aktiviteetti on sitä syvemmällä mitä korkeampi ääni on. Tonotopia havaittiin likimain logaritmiseksi: kullekin oktaaville on varattu yhtä suuri aivokuoren osa. PET-tutkimukset ihmisellä viittaavat samantyyppiseen organisaatioon.

Kuuloaivokuoren solujen vasteet erityyppisille ääniärsykkeille

Noin 60% kissan primäärisen kuuloaivokuoren neuroneista antaa parhaan vasteen tietylle äänitaajuudelle. Näistä soluista on saatu viittä eri tyyppiä olevia reaktioita, joita esittää kuva 90. Todetaan, että myös A1:llä on sekä on- että off-tyyppisiä neuroneja; analogia primäärisen näköaivokuoren kanssa on ilmeinen.

Vasteen kynnysvoimakkuus taajuuden suhteen on V-muotoinen käyrä: suurella intensiteetillä vaste syntyy myös ei-optimaaliselle taajuudelle. Pienellä osalla soluista taajuus-ärsytysvoimakkuuskäyrä sulkeutuu: vahva intensiteetti ei enää synnytäkään vastetta. Näiden solujen oletetaan koodaavan äänen voimakkuutta.

Puhtaisiin ääniin reagoivat solut ovat herkkiä myös taajuusmuutoksille. Kymmenesosa kissan kuuloaivokuoren soluista reagoi vain taajuuden muutoksiin. Myös voimakkuuden vaihtelut ovat vahvoja ärsykkeitä. Noin 65% kissan kuuloaivokuoren soluista havaitsee kohinan. Näyttää siltä, että neuronit, joilla on erittäin tarkka taajuusärtyvyys, eivät reagoi kohinalle. Ne solut taas, jotka antavat vasteen kohinalle, vaimentavat toimintaansa puhtaan äänen aikana.

Noin 5 % kuuloaivokuoren soluista reagoi vain monimutkaisille äänille; on esitetty, että tällaisilla neuroneilla olisi erityistehtävä lajispesifissä kommunikaatiossa. Näyttää kuitenkin siltä, että solut antavat vasteen sekä luonnollisiin että keinotekoisesti tuotettuihin ääniin akustisten transienttien kombinaationa. Yksittäiset neuronit eivät todennäköisesti ole erikoistuneet lajityypillisten äänten koodaukseen. Sen sijaan laajempien solujoukkojen yhteistyö näyttää koodaavan näitä piirteitä. Niinpä esimerkiksi tavu /pa/ saa aikaan apinan aivokuorelta rekisteröidyssä aktiviteetissa muutoksia, jotka hyvin heijastavat tavun akustisia piirteitä.

Äänen tulosuunnan määrittäminen

Molemmista korvista yht'aikaa saapuva kuuloinformaatio auttaa äänilähteen paikallistamisessa. Vasemman ja oikeanpuoleiselle kuuloaivokuorelle saapuu ärsykkeitä kummastakin korvasta ja, toisin kuin näköradassa, signaalit kohtaavat osittain jo matkan varrella olevissa releasemissa ennen aivokuorta.

Kohtisuoraan taajuusraitoja vastaan kissan kuuloaivokuorella on ns. binauraalijärjestelmä. Vastakkaispuolen ääni aiheuttaa solun aktivaation: mikäli tähän liittyy myös saman puolen ääni, aktivaatio joko vaimenee tai tehostuu. Neuronit ovat samanlaisiksi nauhoiksi järjestyneenä kuin taasjuusspesifit solutkin, mutta kohtisuorassa taajuusraitoja vastaan. Epäilemättä järjestelmä osallistuu suuntakuuloon, vaikkei nisäkkäillä selkeää äänensuuntakarttaa ole todettukaan. Esimerkiksi tornipöllön kuuloaivokuorella on tarkka esitys ääniavaruudesta.

Äänen tulosuunta voidaan määrittää monella eri tavalla. Lähteeseen suunnattuun korvaan saapuu voimakkaampi ääni kuin pään varjossa olevaan korvaan. Matalilla äänillä intensiteettiero on pienempi, mutta tällöin voidaan käyttää äänen eri saapumisajoista johtuvaa vaihe-eroa.

Havaitsemalla itse aiheuttamiensa äänien heijastusta sokeat henkilöt voivat oppia välttämään esteitä "kaikuluotainperiaatteella". Tämä taito on erittäin kehittynyt lepakoilla, jotka käyttävät hyväkseen Dopplerin ilmiön aiheuttamaa taajuusmodulaatiota.

Puheen koodaus aivokuorella sen akustisten piirteiden valossa

Puheen tyypillisimpiä akustisia piirteitä ovat heikkojen ja voimakkaiden äänten vaihtelut ja taajuusmuutokset. Vahvat, matalataajuiset periodiset äänet, erityisesti tietyt taajuuspiikit (formantit) määrittävät vokaaleja ja niinsanottuja liudentuvia /l/ ja nasaalisia /n/ konsonantteja. Frikatiivikonsonantit kuten /h/ tai /s/ tunnistetaan kohinatyyppisistä jaksoista. Stop-konsonantti tunnistetaan alun kohinapiikin ja vokaalin alun välisen aikajakson pituudesta; tämä on tärkein erotus esim /p/:n ja /b/:n välillä.

Äänen voimakkuuden muutokset eivät ole yhtä tärkeitä puhetta tunnistettaessa kuin taajuusvaihtelut. Voimakkuusmuutosten poisto ei tee puhesignaalia kokonaan käsittämättömäksi; taajuusvaihtelujen poistaminen sen sijaan tekee. Kuitenkin tauot ovat olennaisia akustisia piirteitä. Esimerkiksi lyhyt kohinajakso kuullaan s:nä. Jos tällainen jakso liitetään tavuun /ta/, kuullaan /sa/. Mikäli kohina erotetaan tavusta 50 ms:n tauolla, kuullaan tavu /sta/.

Puheen ymmärtäminen ei kuitenkaan perustu yksinomaan spesifeihin akustisiin piirteisiin. Tietyn konsonantin tunnistuspiirteet riippuvat siihen liittyvästä vokaalista. Samanlaiset akustiset piirteet eivät välttämättä aina saa aikaan samaa aistimusta ja sama aistimus voidaan tuottaa erilaisilla piirteillä. Tämä seikka on synnyttänyt käsityksen, jonka mukaan puhe tunnistettaisiin erillisessä puhemoodissa. Eräs teoriaa tukeva kokeellinen havainto on ns. puheen tunnistuksen kategorisaatio eli luokittelu: puheen akustisia piirteitä muunnellessa raja kahden eri tavun välillä ei ole liukuva vaan varsin selkeä. Kuitenkin esim. chincillan ja kissan väliaivojen solut omaavat samantyyppisiä kategorisaatioon sopivia piirteitä.

Tasapainoaisti

Sisäkorvan pään asentoa ja sen kiihtyvyyttä aistivaan järjestelmään kuuluu kaksi pussimaista pullistumaa (Utriculus ja Sacculus) ja kolme suuntaherkkää kaarikäytävää (Kuva 91).

Utriculuksen pohjalla on karvasoluja, joiden päällä on pieniä kalkkikiviä sisältävä otoliittikalvo, joka pään asennon muuttuessa kallistaa karvasoluja: kallistussuunnasta riippuen reseptori joko de- tai hyperpolarisoituu.

Kaarikäytävät ovat nesteen täyttämiä ympyränmuotoisia putkia: niitä on kolme kummassakin sisäkorvassa. Käytävät ovat toisaan vastaan kohtisuorassa, joten eri kulmakiihtyvyyssuunnat aiheuttavat maksimaalisen nesteliikkeen eri kaarikäytäviin. Käytävien pohjalla on reseptorikimppu, ampulla, jonka karvasolut kallistuvat nesteen liikkuessa kaarikäytävässä. Pään kääntyessä tasapainoelimistä tulevat signaalit ohjaavat silmänliikkeitä auttaen verkkokalvolla näkyvää kuvaa pysymään vakaana.

Asennon aistimiseen vaikuttavat tasapainoelimen lisäksi myös näköinformaatio ja lihasten ja nivelten asentoinformaatio. Tiedot yhdistämällä saadaan käsitys ruumiin asennosta todennäköisesti jossakin päälaenlohkon assosiaatioalueella. Ellei aistittu havaintoyhdistelmä sovi malliin, syntyy huimaava tunne; yhden järjestelmän kautta tuleva tieto on ristiriidassa muun informaation kanssa.

Motorinen aivokuori

Kun Brodmannin aluetta 4 (Kuva 5) ärsytetään heikollakin sähkövirralla (joka voidaan synnyttää esim. magneettistimulaatiolla), saadaan aiheutetuksi vastakkaisen puolen lihasliikkeitä. Aluetta 4 kutsutaankin primääriseksi motoriseksi aivokuoreksi eli M1:ksi. Sen eri osat ohjaavat kehon eri osien liikkeitä (ns. motorinen homunculus). Monipuolisia liikkeitä tekevien (esim. käsien ja sormien) lihasten edustus aivokuorella on huomattavasti suurempi kuin kömpelömmän liikunnan alueiden (esim. selkä). Motoriikan edustus aivokuorella on siten samantapainen kuin tunnon.

Aivokuorta sähköllä ärsytettäessä on tietenkin vaikea sanoa, mitä soluja aktivoidaan. Niinpä motorinen kartta saattaa tarkoittaa pyramidisolujen viejähaarakkeiden topografiaa, mutta myös pyramidisoluihin tuovien säikeiden, esimerkiksi liikkuvasta raajasta tulevan tuntopalautteen tai toisen aivopuoliskon liikeaivokuorelta tulevan informaation karttamaista järjestymistä: näiden ärsytyshän voi sitten aktivoida pyramidisolun. Erityyppisillä ja vahvuisilla stimulaatiojärjestelyillä saadaankin erilaisia karttoja. Pyramidiradan neuronit näyttävät lisäksi aktivoituvan useamman kuin yhden lihaksen toimiessa; niillä on "lihaskenttä": yksi pyramidisolu aiheuttaa tietyn lisäeksitaation useisiin yksittäisiin lihaksiin.

Motoneuronin (selkäytimestä lihakseen johtavan neuronin) aktivoimiseen tarvitaan monen aivokuoren pyramidisolun yhteisvaikutus. Usein nämä solut esimerkiksi aktivoivat raajan ojentajalihaksia ja estävät koukistajia. Yksittäisiä lihaksia tai liikkeitä voidaankin aktivoida suhteellisen laajalta ja ei-yhtenäiseltä motorisen aivokuoren alueelta intrakortikaalisella mikrostimulaatiolla, ja yksittäinen motoneuroni voi osallistua useisiin erityyppisiin liikkeisiin.

Premotorinen aivokuori (Brodmannin alueet 6 ja 8, Kuva 5) liittyy tahdonalaisiin massaliikkeisiin, kuten vartalon ja raajojen lihasten koordinaatioon, asennon ylläpitoon ja transkortikaalisten heijasteiden säätelyyn. Tämä alue aktivoituu erityisesti monimutkaisissa liikkeissä, joissa toimitaan suhteessa ympäristöön. Kun aluetta 4 (M1) ärsytetään, syntyy melko tarkkoja lihassuorituksia; ärsytettäessä aluetta 6 otsalohkon sivuosista pää ja silmät kääntyvät ja raajatkin voivat liikkua.

Toinen tärkeä motorinen assosiaatioalue on supplementaarinen liikeaivokuori, joka premotorisen aivokuoren tavoin vastaanottaa signaaleja korteksin tunto- ja assosiaatioalueilta sekä tyvitumakkeista. Kun tutkitaan aineenvaihduntaa liikkeen aikana, aktiviteetti kasvaa primäärilla liikeaivokuorella (ja myös primäärilla tuntoaivokuorella) yksinkertaisten liikkeiden kuten edestakaisen sormen heiluttelun aikana. Tehtäessä monimutkaisempaa liikesarjaa myös supplementaarinen motorinen aivokuori aktivoituu. Liikesarjaa pelkästään ajateltaessa supplementaarinen liikeaivokuori aktivoituu yksinään. Nykyisin katsotaan, että supplementaarinen liikeaivokuori osallistuu monimutkaisten liikkeiden ohjelmointiin.

Liikkeiden säätely

Selkäytimen tasolla sijaitsevat mekanismit, jotka palvelevat heijasteiden ja perusliikkeiden toimintaa. Aivot säätelevät heijastetoimintaa ja ohjaavat alempien liikehermoketjustojen aktiviteettia. Motorisen toiminnan mallit (motor programs/melodies) ovat osaksi aivoperäisiä, mutta jo selkäytimen tasolla on ohjelmoituna esimerkiksi kävelyn perusliikkeet, ja tällä tasolla hermoverkko myös oppii.

Lihaksen venytystilan aistiva lihaskäämi (lihassukkula, muscle spindle, Kuva 92) on monimutkaisin ääreishermoston sensorisista reseptoreista. Se on 5–6 mm pitkä sidekudoskapselin ympäröimä sukkula. Se koostuu 2–10:stä käämin sisäisestä lihassyystä (intrafusal muscle fiber) ja hermosyistä. Intrafusaalisyyt ovat ohuempia kuin käämin ulkopuoliset lihaksen ekstrafusaalisyyt (extrafusal muscle fiber); niiden keskiosasta puuttuvat poikkijuovaiselle lihakselle ominaiset juovat.

Ns. alfa-motoneuroni muodostaa liitoksen ekstrafusaalisiin lihassyihin; lihaskäämin sisällä taas efferentin hermotuksen hoitavat gamma-motoneuronit. Jokaisesta lihaskäämistä lähtee keskushermostoon kaksi aistinhermon syytä. Näistä toinen on 12–20 mm:n paksuinen (group I afferent) ja johtaa impulsseja yli 100 m/s; käämiä ympäröivän sidekudoskapselin sisällä syy ei ole myelinisoitunut ja sen hermopääte kiertyy spiraalimaisesti lihassyyn keskiosan ympärille. Toinen hermosyistä (group II afferent) on 4–12 mm:n paksuinen ja siten hitaampi; se muodostaa primääripäätteiden molemmille sivuille sekundäärisiä päätteitä.

Selkäydin säätää lihasten heijasteita: ojennusheijasteet (esim. polven ojennusrefleksi), koukistusheijasteet (lieden polttaessa sormenpäätä) ja monimutkaisemmat heijasteet (kävelyn rytmiikka) perustuvat alfa- ja gammamotoneuroneista, välineuroneista ja asentotuntoa välittävistä neuroneista rakentuneisiin silmukoihin. Lihasta venytettäessä myös intrafusaalisyyt venyvät, jolloin lihassukkulasta lähtevät pulssit lisääntyvät; tämä sitten aktivoi alfamotoneuronin, joka supistaa venytettyä lihasta. Tämä on yksinkertaisen venytysheijasteen perusta. Gammamotoneuronit hermottavat lihassukkulaa; ne säätävät sukkulan perusjänteyttä ja siten sukkulasta lähteviä signaaleja.

Suurin osa aivojen vaikutuksesta selkäytimeen kohdistuu ensin välineuroneihin, vaikka yksisynaptistakin syöttöä motoneuroneihin on (kortikospinaali, retikulospinaali-, rubrospinaali- ja vestibulospinaaliradat). Rytmiset liikkeet (kuten kävely) integroidaan pääasiassa selkäytimen tasolla. Supraspinaaliset keskukset integroivat rytmisten liikkeiden suorituksen vartalon asentoon, ja ne voivat myös muuntaa liikkeiden suoritusta.

Isoaivoista laskevat radat

Liikkeitä säätelevät laskevat radat voidaan jakaa isoaivokuorelta lähteviin ratoihin ja aivorungon eri tumakkeista lähteviin. Nämä järjestelmät eivät toimi erillisinä vaan esim. isoaivokuori saa informaatiota muilta korteksin alueilta, tyvitumakkeista, pikkuaivoista ja selkäytimestä.

Pyramidirata

Pyramidirata alkaa M1:ltä, premotoriselta alueelta, supplementaariselta liikeaivokuorelta, mutta myös S1:ltä ja assosiatiivisilta tuntoalueilta (Brodmannin aluet 1–6). Aivokuorelta lähtee noin 20 milj. motorista hermosyytä (aksonia) capsula internan kautta aivorunkoon. Näista vain noin miljoona jatkaa selkäytimeen: muut päättyvät aivorunkoon, jonka tumakkeiden kautta niillä on yhteyksiä pikkuaivoihin ja selkäytimeen. Aksoneita menee selkäytimen lisäksi tyvitumakkeisiin ja pikkuaivoihin aivosillan tumakkeiden kautta. Pyramidiradan aksoneista 80% ristitsee aivorungossa ja loput vasta selkäytimessä. Apinan liikeaivokuoren pyramidisolut osallistuvat sekä tahdonalaiseen että heijastetoimintaan.

Sensorinen takaisinkytkentä on olennainen motoriikan säätelyssä. Asiaa on tutkittu apinoilla, joilta tuntoradat on katkaistu selkäydintasolla tai potilailla, joilla tuntohermot ovat vaurioituneet. Hyvin harjoitetut liikkeet onnistuvat ilman tuntopalautettakin, mutta oudommat liikkeet tai liikkeet tilanteissa, joissa ulkoiset olosuhteet muuttuvat, häiriytyvät vaikeasti, kun tuntopalaute puuttuu.

Muita liikehermoratoja

Aivorungosta lähtee useita motorisia hermoratoja selkäytimeen. Mm. pikkuaivojen ja tyvitumakkeiden yhteydet kulkevat näitä ratoja pitkin ilman suoria kontakteja alempiin motoneuroneihin.

Tärkein hermoradoista on retikulospinaalirata (ReS, Kuva 93), jossa on kaksi toiminnallista osaa, mediaalinen ja lateraalinen. Edellinen alkaa aivosillan retikulaarisista tumakkeista ja laskee ristitsemättä harmaan aineen etuosan etupuolella. Lateraalinen rata alkaa vähän alempaa selkäytimen alueen retikulaarisista tumakkeista ja kulkee ristitsemättä synapsoiden alempiin motoneuroneihin. Radat toimivat yhteistyössä: mediaalinen rata inhiboi ojentajaheijastetta ja aktivoi koukistajaheijastetta, lateraalinen rata toimii päinvastoin.

Keskiaivoista lähtee rubrospinaalirata (RuS, Kuva 93), jonka aksonit ristitsevät välittömästi. Tämä hermorata välittää pikkuaivojen ja tyvitumakkeiden käskyjä alempiin motoneuroneihin.

Asennon ylläpitoon ja muuttamiseen vaaditaan kaikkien yksinkertaisia spinaaliheijasteita muuntavien ratojen koordinoitu toiminta. Aivorungon retikulaarijärjestelmä on tässä keskeisessä asemassa lukuisten afferenttien ja efferenttien yhteyksiensä vuoksi. Pikkuaivot osallistuvat asennon säätöön käsittelemällä vestibulaaritumakkeista (Kuva 94) tulevaa tietoa, jonka ne lähettävät edelleen retikulaarisiin tumakkeisiin.

Ekstrapyramidijärjestelmän korkeampi taso muodostuu tyvitumakkeiden ja talamuksen yhteyksistä premotoriseen aivokuoreen. Tämä osa liikkeen kontrollijärjestelmää on läheisessä yhteydessä pyramidijärjestelmään.

Tyvitumakkeet

Kuten jo on käynyt ilmi, väliaivojen tyvitumakkeet (Basal ganglia) ovat tärkeitä liikkeiden säätelyssä. Tämä lukuisia hermosolupiirejä sisältävä järjestelmä vaikuttaa mm. talamuksen toimintaan. Aivokuori aktivoi striatumin (kts. sivu 5 alaviite) inhibitorisia soluja: nämä taas estävät talamusta inhiboivia soluja niin, että lopputulos on talamuksen eksitaatio. Koska striatumin yhteydet tulevat sekä aivokuorelta että limbisestä systeemistä, on arveltu, että tämä eksitaatiojärjestelmä on mekanismi, joka muuttaa aistimukset ja ajatukset toiminnaksi.

Tyvitumakkeiden toiminta on puutteellista esim. Parkinsonin taudista kärsivillä.

Motoriikan ohjausta heikentävät sairaudet, erityisesti Parkinsonin tauti ovat vaikuttaneet vahvasti käsitykseen siitä, miten tyvitumakkeet toimivat. Basaaliganglioiden häiriöt aiheuttavat kontrolloimattomia yliaktiiveja liikkeitä (hyperkinesioita) samoin kuin Parkinsonin taudille tyypillisiä rajoittuneita liikkeitä. Kaikissa näkyy normaalien liikesuoritusten häiriö, erityisesti nopeiden ja tarkasti koordinoitujen liikkeiden kömpelöityminen.

Parkinsonismissa, jota voidaan pitää hypokinesian prototyyppinä, esiintyy liikkeen hitautta, lisääntynyttä lihasjänteyttä, spontaanien liikkeiden (esim. kävelyn myötäliikkeiden) vajausta ja vapinaa. Lopputulos on basaaliganglioiden ulos johtavan aktiviteetin lisääntyminen ja talamokortikaalisten yhteyksien aktivaation estyminen.

Pikkuaivot

Pikkuaivot säätävät lihasten yhteistoimintaa, mutta liikkeiden ohjaus on kokonaisuudessaan automaattista ja tiedostamatonta. Lisäksi pikkuaivoilla arvellaan olevan merkitystä erityisesti monimutkaisempien liikesarjojen oppimisessa.

Nopeiden lihasliikkeiden yhteydessä pikkuaivot hoitavat ajoituksen hienosäädön, jolloin vaikeakin tehtävä sujuu virheettömästi. Pikkuaivojen poisto koe-eläimeltä huonontaa liikkumista, muttei aiheuta juuri muunlaisia häiriöitä.

Motoriikan kokonaissäätely

Aivot ohjaavat yksilön liikkumisia saamansa informaation perusteella. Liikkeen säätelyyn osallistuu laajoja aivokuorialueita, basaaligangliot, pikkuaivot, lukuisat tumakkeet sekä selkäydin. Supplementaarinen motorinen aivokuori aktivoituu toimintaa suunniteltaessa, tyvitumakkeiden osuus on tärkeä liikkeiden eheyden säädössä, M1 osallistuu tarkan liikkeen ohjaukseen, pikkuaivot ovat tärkeitä liikesarjojen oppimisessa ja tuottamisessa. Lihaksista, jänteistä ja iholta jatkuvasti saapuva tuntopalaute säätää käynnissä olevaa liikettä. Keskeisessä asemassa ovat lisäksi liikkeen aikana silmistä tuleva informaatio sekä tasapainoaisti.

Liikkeen aloittamiseksi tarvitaan etukäteisarvio siitä, miten ympäristö muuttuu suorituksen aikana sekä miten liike vaikuttaa ympäristöön ja ihmiseen itseensä. Jokainen liike aloitetaan ballistisena; vasta 150–200 ms:n kuluttua voidaan saada takaisinkytkentäsignaaleja. Opitut liikesarjat suoritetaan kokonaisuuksina: ei yksittäisiä nuotteja vaan melodioita.

Tahdonalaiseen liikkeeseen valmistautuminen voidaan rekisteröidä aivoista sähköisesti jo noin sekuntia ennen suoritusta (ns. bereitschaftspotential, valmiuspotentiaali). Vartalon asentoa ylläpitävien lihasten aktivaatio alkaa noin 100 ms ennen varsinaista tahdonalaista liikettä. Seistessä jalat yhdessä pienikin painopisteen siirtyminen esim. käsiä nostettaessa aiheuttaisi horjahduksen, jos jalkojen lihaksia ei aktivoitaisi sopivasti.

Aivokuoren muita alueita

Assosiaatioalueet

Aivokuoren assosiaatioalueet yhdistävät eri aisteista saatavaa tietoa ja valmistelevat motorista toimintaa. Niitä ärsytettäessä ei synny yleensä liikkeitä eikä vaurio aiheuta selkeitä oireita. Assosiaatioaivokuoren suhteellinen osuus on lisääntynyt lajinkehityksen myötä. Ihmisellä on kolme pääassosiaatioaluetta: prefrontaalinen, parietotemporaalinen ja limbinen. Voidaan sanoa, että vaikka kaikki nämä alueet liittyvät monimutkaisten liikkeiden kontrollointiin, aistimusten ymmärtämiseen, ajatteluun ja tunteisiin, niillä on erityyppisiä painotuksia. Prefrontaaliaivokuori liittyy selkeimmin monimutkaiseen motoriikkaan, parietotemporaalinen assosiaatioalue ympäristön hahmottamiseen ja puheeseen ja limbinen aivokuori muistiin sekä tunteiden ja motivaation säätelyyn.

Otsalohko

Prefrontaaliset alueet motorisen aivokuoren etupuolella ovat ihmisellä kehittyneet huomattavan laajoiksi. Näiden rakenteiden kehitys on yhteydessä ihmiselle tyypillisen yksilöiden välisen viestinnän, tunne-elämän hallinnan ja sosiaalisen kehityksen kanssa.

Molemminpuoliset otsalohkovauriot aiheuttavat käytösmuutoksia. Esim. apinalla tällainen vamma voi johtaa alkuvaiheen apatian jälkeen yhtämittaiseen ja tarkoituksettomaan edestakaisin kävelyyn. Toinen tyypillinen piirre prefrontaalivaurioille on viivästetyn reaktion epäonnistuminen. Vaikka eläin saa nähdä, kuinka ruokapalkkio piilotetaan esim. toiseen kahdesta kupista, ei se puolen minuutin kuluttua enää muista, kumpaan kuppiin ruokapala oli pantu.

1930-luvulla alettiin tehdä psyykkisesti häiriintyneille potilaille leikkauksia, joissa katkaistiin otsalohkon etuosien ja talamuksen väliset yhteydet. Toimenpide usein rauhoittikin ahdistuneen tai raivoavan potilaan, mutta samalla hän muuttui välinpitämättömäksi, aloitekyvyttömäksi ja tunteettomaksi. Vaikka ahdistus saattoi jatkua leikkauksen jälkeenkin, se ei enää vaivannut potilasta. Älykkyys ei mainittavasti leikkauksen seurauksena muuttunut. Sivuvaikutustensa ja lääkehoidon kehittymisen vuoksi tällaisia leikkauksia ei enää tehdä.

Suurin ero ihmisen ja simpanssin aivojen kehityksessä on frontaalialueilla, jotka ovat ihmisellä suurentuneet suhteellisesti eniten ja ilmeisesti huolehtivat sosiaalisen käyttäytymisen pelisäännöistä. Limbisen järjestelmän tunne-elämää säätävät rakenteet eivät paljonkaan poikkea toisistaan ihmisellä ja apinalla, mutta tämän järjestelmän toimintaa kontrolloiva otsalohko on ihmisellä huomattavasti kehittyneempi.

Otsalohkojen ajatellaan osallistuvan monimutkaisiin tehtäviin, kuten arvosteluun, ymmärrykseen, tulevaisuuden suunnitteluun, uteliaisuuteen, abstraktiin ajatteluun ja luovuuteen. Toisaalta otsalohkojen etuosat eivät osallistu perustason aisti- ja liiketoimintoihin. Niinpä varsin suuretkaan otsalohkovauriot eivät juuri häiritse tavanomaista käyttäytymistä.

Parietaaliset assosiaatioalueet

Päälaenlohkon assosiaatioalueet sijaitsevat näkö-, tunto- ja kuuloaivokuorien välisellä alueella; täällä yhdistetään eri aisteista tulevaa informaatiota. Tällä alueella näkökentän retinotooppinen informaatio ilmeisesti yhdistetään silmien, pään ja vartalon asentotietoon, niin että saadaan ympäristöön kiinnittyvä koordinaatisto.

Erityisesti parietaalisen assosiaatioalueen oikeanpuoleisesta vauriosta voi seurata, että potilas ei tunnista vastakkaisen puolen raajoja omikseen ja saattaa ihmetellä, kenen jalka on hänen sängyssään. Lisäksi voi syntyä ns. vastakkaispuoleinen sammumisreaktio: jos kehon molempia puolia kutitetaan, potilas tuntee ärsytyksen vain toisella puolella; jos kumpaakin puolta ärsytetään erikseen potilas huomaa molemmat. Katseen suunnan vaihto on tällaisella potilaalla hidasta ja jähmeää. Toisin kuin otsalohkovaurioissa, liikkeen aloitus onnistuu, mutta sen ohjaus on kömpelöä vaurion vastakkaispuolella. Eräissä tapauksissa syntyy konstruktionaalinen apraksia: potilas pystyy tunnistamaan esimerkiksi kirjaimia tai huonekalun osia, muttei saa kootuksi niistä sanoja tai ei ymmärrä, että kyseessä on esimerkiksi tuoli eikä neljä jalkaa ja vaakasuora levy. Ilmeisesti tämä alue on osa ohjausjärjestelmää, jolla aikomukset ja käsitys maailmasta konvergoivat ennen päätöksentekoa.

Puhetta ohjaavat alueet

Paul Broca havaitsi yli sata vuotta sitten, että aivojen tietyn kohdan vaurio aiheuttaa afasiaa eli puhevaikeuksia; alue sijaitsee otsalohkon sivulla ja on yli 95%:lla ihmisistä vasemmalla puolella (Kuva 5, alueet 44 ja45).

Brocan alue on motorisen aivokuoren kasvoja, kieltä, leukaa ja kurkunpäätä kontrolloivien osien vieressä. Jos se tuhoutuu, kasvojen vasen puoli yleensä myös halvautuu (Motorisen ja tuntoaivokuoren hermoradat pään alueella eivät ristitse.). Näinollen voisi ajatella, että puheviat johtuvat äänteiden muodostuksessa tarvittavien lihasten toimintakyvyttömyydestä.

Näin ei kuitenkaan ole, sillä vastaava oikeanpuolinen vaurio ei aiheuta puhevikaa. Edelleen, Brocan alueen vauriosta kärsivä potilas voi usein laulaa vaivattomasti, kun taas puhevaikeudet ilmenevät paitsi hankaluutena lausua sanoja, myös puheessa esiintyvinä kielioppivirheinä.

Toisenlainen puhevika syntyy kuuloalueen ja ns. kulmapoimun välissä vasemmassa ohimolohkossa sijaitsevan Wernicken alueen (Kuva 5, alueet 39 ja 40) vaurioituessa. Potilaan puhe on foneettisesti ja kieliopillisesti oikein, sujuvaa ja hyvin äännettyä, mutta sanojen valinta on usein väärä ja lauseiden merkitys virheellinen. Tällaisen puhevian korjaannuttua potilaat kertovat, että ajatukset kyllä olivat kunnossa, mutta niiden ilmaisu ei onnistunut. Puheen ymmärtämisen ja toistamisen häiriö on toinen keskeinen oire tällaisesta vauriosta. Nykyisin katsotaan, että Wernicken alueen tuhoutuessa yksittäiset sanat eivät välttämättä katoa, mutta potilaan kyky lausua ajatuksensa heikkenee.

Puheen aikana aktivoituvista aivoalueista on saatu tietoa paitsi tutkimalla aivovaurioiden seurauksia, myös PET-menetelmällä. Koehenkilön lukiessa taululle heijastettuja sanoja niitä lausumatta verenkierto vilkastuu näköaivokuorella. Kun hän kuuntelee sanoja, vilkastuu verenkierto Wernicken alueella. Kun koehenkilöt toistavat lukemansa tai kuulemansa sanat ja näin syntyneestä aktiivisuudesta vähennetään passiivisessa tilanteessa mitattu aktiivisuus, todetaan lisäystä suun motorisen edustuksen alueella, supplementaarisella motorisella aivokuorella, gyrus temporalis superiorissa ja frontaalisen operculumin (sivuvaon yläpinta) alueella. Mikäli koehenkilön pitää assosioida esitettyyn substantiiviin joku edellä kuvatuissa kokeissa käytetty verbi ja sanoa se ääneen, todetaan lisäystä vasemman prefrontaalisen aivokuoren alaosassa; tämän alueen on tulkittu liittyvän sanojen assosiaatioon.

Wernicken ja Brocan alueita yhdistää hermorata fasciculus arcuatis (Kuva 95). Brocan alueelta informaatio kulkee motoriselle aivokuorelle, josta annetaan käskyt suun, huulien, kielen, kurkunpään ja pallean lihaksille. Wernicken alueella on tärkeä merkitys puheen ymmärtämisessä sekä lukemisessa ja kirjoittamisessa.

Puhekieli ei ole sidottu vain kuuloon: vasen aivopuolisko on olennainen myös viittomakielen ymmärtämiselle. Ilmeisesti vasen aivopuolisko osaa kieliopin; avaruudellinen hahmottaminen, joka tietysti on olennaista viittomien tulkinnassa, katsotaan enemmän aivojen oikean puolen ominaisuudeksi. Myös oikean aivopuoliskon vauriot huonontavat puheen ymmärtämistä hankaloittamalla äänenpainojen (prosodian) merkityksen tajuamista ja puheen ei-sanallisten vivahteiden tulkintaa.

Brocan alueen vaurio vaikuttaa haitallisesti puheen muodostamiseen, mutta ei pahemmin huononna saapuvan informaation käsittämistä (Brocan afasia). Jos Wernicken alue tuhoutuu, puhe on sujuvaa, mutta sanat vääriä ja ymmärtäminen kärsii ratkaisevasti (Wernicken afasia). Jos fasciculus arcuatis on poikki, puhe voi olla suhteellisen normaalia, mutta siinä esiintyy ajatusvirheitä: Brocan alue ei saa informaatiota Wernicken alueelta. Kyseessä on konduktioafasia. Puhutun ja kirjoitetun ymmärtäminen on myös lähes normaalia, mutta toistaminen on vaivalloista ja sanojen ja tarkoituksen yhtenäisyys häiriytyy.

Edelläkuvattujen rakenteiden toiminta riittää kuullun toistamiseen. Monimutkaisemmat kielelliset tehtävät vaativat monia muita aivoalueita. Supplementaarisen motorisen aivokuoren vaurio saattaa aiheuttaa Brocan afasian tyyppisen tilanteen, jossa potilas kuitenkin pystyy toistamaan lauseita (transkortikaalinen motorinen afasia). Temporoparietaalisen assosiaatioalueen vauriossa voidaan joutua tilanteeseen, jossa syntyy ymmärtämisen häiriö, mutta jossa potilas kuitenkin pystyy toistamaan lauseita (transkortikaalinen sensorinen afasia). On syytä muistaa, ettei ole selkeitä "puhekeskuksia", jotka hoitaisivat kielioppia, ymmärrystä tai ääntämistä, vaan aivoissa on jakautunut verkkomainen rakenne, jossa eri kohdat toimivat yhteispelillä ja vain suhteellisesti erikoistuneina.

Aivovaurioiden yleisin syy on verenkiertohäiriö; happipula johtaa neuronien kuolemaan. Korteksin eri osien tehtävät on suureksi osaksi kartoitettu aivovaurioista kärsineiden henkilöiden kuoleman jälkeen tehdyillä tutkimuksilla. Sotavammat ovat toinen tärkeä tutkimusmateriaalin lähde; esimerkiksi Luria tutki toisessa maailmansodassa päähän haavoittuneita sotilaita ja pystyi selvästi osoittamaan, että puhe voi häiriytyä myös tavanomaisista, edelläkuvattujen puhealueiden ulkopuolisista vaurioista.

Aivoleikkausten yhteydessä voidaan pyytää potilasta nimeämään kuvista esineitä ja ärsyttää sähköllä aivokudosta samanaikaisesti. Mikäli nimeäminen estyy, katsotaan ärsytetyn alueen olevan jotenkin tekemisissä puheen tuoton kanssa. Nämä kokeet ovat osoittaneet, että puheen muodostamiseen osallistuvat alueet ovat varsin erilaisia eri henkilöillä. Eri kielten puhekyky voi häiriintyä selektiivisesti; potilas voi esim. menettää kykynsä puhua äidinkieltään samalla kun vieraan kielen taito säilyy.

Kasvonpiirteiden tunnistaminen

Normaali ihminen pystyy helposti tunnistamaan tutut kasvot. Tämä tietokoneelle erittäin vaikea tehtävä voidaan suorittaa hämärässä tai värillisessä valaistuksessa, jopa vuosikymmenien jälkeen.

Prosopagnosia on mielenkiintoinen aivosairaus, jonka lähes ainoa ilmenemismuoto on, että potilas ei pysty tunnistamaan henkilöitä, vaikeimmissa tapauksissa ei edes puolisoaan tai lapsiaan. Kasvonpiirteiden ja henkilön muun identiteetin välinen yhteys on kadonnut. Potilas sen sijaan pystyy tunnistamaan toisen henkilön hänen äänensä perusteella ja ymmärtää mm. kasvonilmeiden merkityksiä.

Pienet tarkkarajaiset aivokuorivauriot saattavat aiheuttaa myös rajatumpia häiriöitä kuin yllä on kuvattu. Esimerkiksi eräs potilas pystyi tunnistamaan mekaanisia laitteita, muttei esim. eläimiä tai kasveja: hän tunnisti helposti myös ruumiinosia. Toinen potilas taas ei pystynyt kirjoittamaan kirjaimia, mutta sen sijaan numeroiden kirjoittaminen ja monimutkaiset laskutoimitukset sujuivat mainiosti. Tällaisia esimerkkejä arvioidessa ei kuitenkaan ole syytä ryhtyä frenologiksi (= oppi jonka mukaan ihmisen henkiset kyvyt on koodattu aivokuoren eri kohtiin ja kallon muodosta voi päätellä ihmisen lahjakkuusprofiilin) ja kirjata esimerkiksi vihannesten nimiä tiettyyn aivokuorivaurion kohtaan.

Limbinen järjestelmä

Isojen aivojen keski- ja etuosissa sijaitsee useiden toisiinsa liittyvien, lajinkehityksellisesti vanhojen rakenteiden muodostama limbinen järjestelmä (Kuva 96), joka ympäröi aivorunkoa isojen aivojen reunaosissa ja muodostaa välittävän rakenteen aivorungon ja lajinkehityksellisesti uudempien aivokuoren osien välille. Hajuradat johtavat tähän osaan aivoja. Limbisen järjestelmän merkitys tunne-elämän säätelyssä huomattiin jo varhain. Aivojen koon mukana limbinen järjestelmäkin on kasvanut, mutta sen suhteellinen osuus on ihmisellä huomattavasti vähäisempi kuin alemmilla eläimillä.

Limbisen järjestelmän kortikaalisen osan muodostavat ulompi ja sisempi kehä, joihin liittyy aivokuoren alaisia tumakeryhmiä, mm. hippokampus ja amygdala-tumake. Hippokampuksen aivokuori on kolmikerroksista kehitysopillisesti vanhaa, ns. allokorteksia.

Sähköärsytys tai vaurio limbisen järjestelmän alueella voi johtaa suuriin tunnemuutoksiiin. Näin pystytään tuottamaan mielihyvää, mielipahaa, itsevarmuutta, tuskaa, pelkoa jne., riippuen ärsytyksen paikasta ja tilanteesta. Voimakkaita muutoksia näkyy usein myös sydämen toiminnassa, verisuonissa, suolistossa, karvankohottajalihaksissa, silmäterässä ja muissa autonomisen hermoston säätelemissä toiminnoissa sekä hypotalamuksen kautta aivolisäkkeen hormonituotannossa. Limbistä järjestelmää onkin kutsuttu "sisälmysaivoiksi". Ärsytys aiheuttaa myös motorisia reaktioita kuten nielemistä, nuolemista, ulostamista ja asennon muutoksia. Monia näistä vaikutuksista saadaan aikaan myös hypotalamuksen sähköärsytyksellä, mikä selittyy limbisen järjestelmän ja hypotalamuksen voimakkaiden yhteyksien avulla. Amygdala-tumakkeen ärsytys johtaa usein suuhun liittyviin oireisiin kuten huulien lipomiseen, leukojen jauhamiseen, puremiseen, syljen eritykseen, oksentamiseen jne. Apinoilla ohimolohkon ja siihen liittyvän limbisen järjestelmän, etenkin amygdalan poisto saa seksuaalivietin estot häviämään. Myös pelkoreaktiot katoavat.

Rotan hippokampuksesta on löydetty soluja, joiden toiminta on eläimen sijainnin funktio. Kun eläin siirretään tai siirtyy eri paikkoihin, eri hippokampussolut aktivoituvat. On väitetty, että hippokampukseen on varastoitu ympäristön kognitiivinen kartta, joka on muotoutuva eli plastinen, sillä kun rotan häkin seinällä olevia paikkatunnistusmerkkejä siirretään, kartta kiertyy. Kartta säilyy myös pimeässä, joten se ei suoraan liity näköön, mutta se ei kuitenkaan näytä olevan topografinen, sillä erillisiin paikkoihin reagoivat solut saattavat sijaita vierekkäin.

Mielihyvä, mielipaha ja aggressio

Jos esim. apinan annetaan ärsyttää omia aivojaan sopivasta, mielihyvää tuottavasta kohdasta, se innostuu painamaan pulsseja antavaa katkaisijaa aivan määrättömästi osoittaen samalla mielihyvään ja kiihtymykseen liittyviä käytöstapoja. Elektrodin ollessa tietyissä toisissa kohdissa eläin taas varoo tarkasti painamasta katkaisijaa sen jälkeen, kun se on sitä sattumalta jonkun kerran painanut ja ilmeisesti kokenut tuskaa tai mielipahaa. Suurin osa aivojen sisäisistä pisteistä ei kuitenkaan näytä vaikuttavan eläimen käytökseen, sillä elektrodien ollessa näissä paikoissa katkaisijan painamistiheys on satunnaista.

Tämän ns. itsestimulaation palkkioarvon tutkimiseksi koe-eläin voidaan asettaa tilanteeseen, jossa se voi valita joko aivojen sähköärsytyksen tai jonkin muun ulkoisen, mielihyvää tai mielipahaa aiheuttavan toiminnan välillä. Jos elektrodin sijoitus on sopiva, nälkäinenkin eläin valitsee aivoärsytyksen syömisen sijasta jopa niin, että se joutuu nälkäkuoleman vaaraan. Kiimainen uros voi valita mieluummin aivoärsytyksen kuin naaraan. Vaikka eläin saisi aivoärsytyksen yhteydessä myös kipeän sähköiskun, saattaa se silti valita aivoärsytyksen hyväksyen muutoin jyrkästi varomiaan kipuärsykkeitä. Niiden pisteiden, jotka aiheuttavat korkeita itsestimulaatiotiheyksiä (pitkiä aikoja jopa 5 painallusta sekunnissa) on todettu sijaitsevan etupäässä limbisen järjestelmän alueella. Kyseiset kohdat kuuluvat ns. mielihyväjärjestelmään.

Rotalle erityisen mieluisa itsestimulaatioalue on lateraalinen hypotalamus, jonka kautta kulkevat keskeisen etuaivojuosteen hermosyyt. Näihin kuuluu myös hypotalamuksesta etuaivojen limbisiin rakenteisiin nousevia noradrenergisiä syitä. Tämä selittäisi amfetamiinin tyyppisten lääke- ja huumausaineiden mielihyvää tuottavan vaikutuksen, sillä ne vapauttavat noradrenaliinia keskushermoston hermopäätteistä ja vaikuttavat siten samaan tapaan kuin mielihyväjärjestelmän suora sähköärsytys.

Pisteet, joiden ärsytystä eläin välttää, kuuluvat ns. rankaisu- eli mielipahajärjestelmään. Tällaisia kohtia on mm. aivorungon alueella ja muuallakin, minne kipuratojen tiedetään johtavan spinotalamisesta järjestelmästä. Morfiinin tyyppiset, voimakkaasti kipuelämystä vähentävät lääkeaineet aiheuttavat yleensä myös mielialaa nostavan vaikutuksen.

Ilmeisesti mielihyvä- ja mielipahajärjestelmien välillä vallitsee samanlainen synaptinen antagonismi kuin monien muidenkin fysiologisten toimintojen kohdalla. Tämän mukaisesti mielipahajärjestelmä aktivoituessaan inhiboi mielihyväjärjestelmää ja päinvastoin.

Myös aggressiivista käytöstä säätelevä hermosolujärjestelmä on paikannettu ärsytyskokeiden ja aivovaurioiden perusteella. Tämä hyökkäys- ja pakoreaktioita säätelevä hermosolujärjestelmä koostuu amygdalasta, hypotalamuksen mediaaliosissa sijaitsevista hermosoluista ja keskiaivojen etuosassa olevasta keskiharmaasta aineesta. Amygdala on yhteydessä hypotalamuksen mediaaliosaan, joka puolestaan on kontaktissa keskiharmaaseen aineeseen.

Tämän hyökkäys—tai—pako-järjestelmän ärsytys saa mm. kissan köyristämään selkäänsä, sen karvat nousevat pystyyn ja eläin sähisee voimakkaasti. Ympäristöstä riippuen ärsytetty kissa pakenee tai hyökkää silmittömästi jotain ympäristön kohdetta, esim. toista kissaa vastaan.

Hyökkäys—tai—pako-järjestelmä toimii kissan käytöstä säätelevänä vain uhkaavissa tilanteissa. Sen sijaan eläimen aggressiivinen käytös esim. hiirtä saalistettaessa välittyy ilmeisesti lähinnä hypotalamuksen lateraaliosassa sijaitsevan, syömistä säätelevän keskuksen kautta.

Aivopuoliskojen vertailua

Osan tehtävistään aivokuori suorittaa symmetrisesti, kuten esim. näkö-, kuulo- ja tuntoaistimusten analyysin ja käskyjen antamisen motoriselta aivokuorelta lihaksiin. Osa toiminnoista taas keskittyy jompaankumpaan aivopuoliskoon, niinkuin jo olemme nähneet.

Puhekeskukset ovat pääasiassa aivojen vasemmassa puoliskossa, mutta musiikin tajuaminen näyttää olevan oikean aivopuoliskon tehtävä; tätä osoittaa mm se, että afasiaa sairastavat henkilöt kykenevät usein laulamaan virheettömästi. Piirrokset tajutaan pääasiassa oikeassa aivopuoliskossa.

Aivopuoliskojen tehtävien erilaisuutta ei kuitenkaan tule korostaa liikaa. Useimmissa tapauksissa molemmat puolet ovat tarpeen. Puoliskojen anatomiset erot eivät myöskään ole suuret, mutta kuitenkin olemassa. Sivuvako (Sylvian fissure), joka erottaa ohimolohkon päälaenlohkosta, nousee jyrkemmin oikeassa aivopuoliskossa. Selvempi ero havaitaan ohimopinnassa (planum temporale), joka sijaitsee temporaalilohkon yläreunassa ja näkyy vain, kun sivuvako on avattu. Planum temporalen takaosa, joka muodostaa osan Wernicken aluetta, on vasemmassa aivopuoliskossa huomattavasti suurempi kuin oikeassa, mikä liittynee vasemman puolen kielelliseen dominanssiin.

Verrattomasti tavallisin ja mm. perinnöllisyysopillisesti arvoituksellinen jommankumman aivopuoliskon dominanssin ilmenemismuoto on ihmisen oikea- tai vasenkätisyys. Apinoiden keskuudessa esiintyy oikea- ja vasenkätisyyttä yhtä paljon, mutta ihmisistä valtaosa on oikeakätisiä.

Oppiminen ja muisti

Muisti antaa elämäämme neljännen dimension, ajan. Ilman muistia ja ajan tajua tietoisuus olisi vähintäänkin vajavainen. Vieläkään emme kunnolla tiedä, miten informaatio varastoidaan aivoihin. Lienee kuitenkin selvää, että pitkäaikainen muisti on selitettävissä mm. neuronien välisten synapsien kontaktivoimakkuuksien muutoksina, joskin on vaikea ymmärtää sitä, miten on mahdollista, että jotkin asiat muistetaan virheettömästi jopa vuosikymmeniä. Lyhytaikainen muisti sen sijaan tukeutuu myös hermosoluverkoston jatkuvaan toimintaan.

Tietokoneiden kehityksen alkuaikoina vallitsi käsitys aivojen ja tietokoneiden periaatteellisesta samankaltaisuudesta. Aivojen korkeimpien osien hermopiirit eivät kuitenkaan toimi tietokoneiden logiikkaelimien tavoin. Vielä vähemmän on biologinen muisti tietokonemuistin kaltainen. Sekä fysiologisten mittausten että psykologisten kokeiden tulokset viittaavat siihen, että informaatiota käsitellään aivoissa ensisijaisesti analogiamuodossa, siis jatkuva-arvoisiin signaaleihin ja tiloihin kohdistuvina operaatioina.

Arkikielessä muistilla tarkoitetaan kykyä varastoida tietoa siten, että se on palautettavissa myöhemmin mieleen. Tämäntyyppistä muistia kutsutaan julistavaksi (deklaratiivinen): siihen kuuluu taito kertoa aikaisemmista tapahtumista (episodinen muisti) tai kyky nimetä jokin esine tai paikka (semanttinen muisti).

On kuitenkin olemassa myös ei-deklaratiivista muistia. Motorisissa harjoituksissa ei juuri pysty sanomaan, mitä on oppinut; tieto on havaittavissa vain kokeilemalla ja informaatioon pääsee käsiksi vain ryhtymällä toimiin, jotka on opittu. Yksi muistityyppi on klassinen ehdollistaminen, jossa tallentuu kahden ärsykkeen ajallinen yhteys. Varsin mielenkiintoinen muistin muoto on leimautuminen, jossa ankanpoika välittömästi syntymän jälkeen valitsee emokseen liikkuvan olion, jonka se ensinnä näkee, oli tämä sitten ankka tai ihminen.

Yksinkertaisimpia muistiksi määriteltäviä ilmiöitä ovat tottuminen eli habituaatio, jossa samanlaisena toistuva ärsyke heikentää reagointia uusille ärsykkeille, ja sensitaatio eli herkistyminen, jossa kipuun assosioidut ärsykkeet saavat aikaan voimakkaamman reaktion kuin tavallista.

Mitkä ovat oppimisen ja muistamisen osat? 1) Reseptorit vastaanottavat uutta informaatiota. 2) Tieto siirtyy aktiopotentiaaleiksi koodattuna aivokuorelle ja muualle aivoihin. 3) Asiaa pidetään lyhytaikaisessa muistissa hermosolujen muuttuvan aktivaatiokuvion muodossa. 4) Asia tallennetaan pitkäaikaiseen muistiin. 5) Muistikuva luetaan muistista.

Oppimisen viimeinen vaihe, varastoidun informaation palauttaminen mieleen silloin, kun sitä tarvitaan, on myös huonosti tunnettu. Jokainen on omakohtaisesti kokenut, että tietty asia, esim. jonkin henkilön nimi, tietyllä hetkellä ei ole yrityksistä huolimatta muistista otettavissa. Hieman myöhemmin asia usein palautuu yht'äkkiä mieleen. Tiedon etsiminen muistista vaatii epäilemättä aivojen aktiivista toimintaa, emme vain toistaiseksi tiedä millaista.

Edelleen on huomattava, että muistikuvaa tuskin koskaan sekoitetaan nykyhetken todellisuuteen. Ympäristöstä tulevaa informaatiota käsiteltäessä neuronien toiminta siis poikkeaa siitä, kun tietoa haetaan muistista.

Lyhytaikainen muisti

Monet kokeet osoittavat, että lyhyen aikaa uuden tiedon vastaanottamisen jälkeen muistikuva hyvin helposti häipyy. Tämän labiilin vaiheen jälkeen asiat pysyvät mielessä huomattavasti paremmin.

Jos henkilö saa voimakkaan iskun päähänsä ja menettää joksikin aikaa tajuntansa, todetaan usein, että tapausta välittömästi edeltäneet muistikuvat ovat tyystin häipyneet mielestä. Muistamattomuus saattaa ulottua jopa puoli tuntia onnettomuutta edeltävään aikaan, joskus kauemmaksikin. Ilmiö voidaan selittää olettamalla, että uuden asian painaminen mieleen vaatii aikaa, jonka kuluessa neuronit jatkuvasti lähettävät impulsseja toisilleen suljetussa kierrossa. Vähitellen yhtämittaisessa käytössä olevat synapsit vahvistuvat ja uusi asia painuu pysyvästi mieleen noin puolen tunnin kuluessa. Mieleenpainaminen vaatii sen, että hippokampus on kunnossa.

Pysyvä muisti

Nykyisin uskotaan yleisesti, että pitkäaikainen, pysyvä muisti vaatii rakenteellisia muutoksia neuroneissa. On osoitettu, että tiettyyn neuroniin kuuluvien synapsien lukumäärä ja synapsiraon pinta-ala kasvavat käytössä.

PET-tutkimuksissa on havaittu, että kuvioiden mieleenpainaminen muuttaa aktiviteettia limbisessä järjestelmässä, hippokampuksen, ohimolohkon kärjen, dorsaalisen talamuksen ja gyrus cingulin alueella sekä tyvitumakkeiden pohjaosissa. Motorisen oppimisen aikana limbisen järjestelmän aktiivisuus sen sijaan vähenee ja aivokuoren ja pikkuaivojen sekä tyvitumakkeiden toiminta lisääntyy.

Muistihäiriöistä

Muistihäiriöisen potilaan suoriutuminen sokkelotehtävässä paranee harjoituksella päivittäin, vaikka hän joka kerta väittää, ettei ole nähnyt harjoituspaikkaa aiemmin. Muistihäiriöpotilaat pystyvät oppimaan tällaisia asioita ja muistamaan niitä kuten normaalihenkilötkin. Samoin potilas, joka ei pysty tunnistamaan kasvoja, voi silti reagoida esim. punastumalla tuttuihin, mutta ei vieraisiin kasvoihin.

Yleensä kuitenkin vaurio liittyy limbiseen järjestelmään tai sen yhteyksiin: potilaat, joilla on limbisen alueen vamma, näyttävät kärsivän mieleen painamisen ja palauttamisen häiriöistä.

Syväelektrodirekisteröinneissä muutamat hippokampussolut ovat lisänneet aktiviteettiaan mieleenpalautuksessa, ja hippokampus saattaa varastoida paikkainformaatiota. Ihmisellä oikea hippokampusvaurio näyttää liittyvän paikan muistamisen heikkouteen, vasemman hippokampuksen vaurio taas huonontaa sanojen muistamista. Amygdalan vaurio taas vaikeuttaa emotionaalisesti värittyneiden asioiden muistamista. Otsalohkon ja gyrus Cingulin vauriot huonontavat menneiden tapahtumien aikajärjestyksen muistamista; otsalohkovaurio aiheuttaa lisäksi tapahtumien olosuhteiden unohtamista.

Molemminpuolinen vaurio väliaivojen keskiosaan tai ohimolohkojen keskiosiin aiheuttaa muistamattomuutta. Myös vammat etuaivojen pohjaosissa saattavat synnyttää muistivauriota persoonallisuusmuutosten ohella. Ohimolohkojen verenkiertohäiriön seurauksena syntyvää kudosvammaa (infarktissa) seuraa muistihäiriö, jossa tärkeää osaa esittää hippokampusvaurio. Eräässä huolellisesti tutkitussa verenkiertohäiriöpotilaassa, joka toisteli tiheään samoja kertomuksia ja unohti päivittäisiä tapahtumia, vaikka muistikin kauempaa menneisyyttä ainakin yhtä hyvin kuin kontrollihenkilöt, todettiin täydellinen neuronien puute hippokampuksen CA1-alueella.

Klassinen ja toiminnallinen ehdollistaminen

Pavlov kuvasi 1900-luvun alussa klassisen ehdollistamisen. Hänen koiransa oppi kuolaamaan jo äänimerkistä (ehdollinen ärsyke), jonka jälkeen aina annettiin ruokaa (ehdoton ärsyke). Eläin oppi automaattisesti näiden kahden normaalisti toisiinsa liittymättömän ärsykkeen suhteen. Ehdollistuminen ei kehity, jos ehdollisen ja ehdottoman ärsykkeen välillä ei ole selkeää ennustearvoa.

Toinen tärkeä oppimis- ja muistitutkimuksen perusasetelma on toiminnallinen ehdollistaminen (operant conditioning). Tässä kokeessa eläin oppii yhteyden tietyn käyttäytymisen ja palkkion välillä; tyyppiesimerkki on nälkäinen rotta laatikossa, jossa on vivulla toimiva ruoka-annostelija. Kun eläin sattumalta häkissä liikuskellessaan painaa vipua, se saa ruokaa; seurannassa vivun painaminen nopeasti lisääntyy yli sattumatason ja eläimen katsotaan oppineen tietyn toiminnan ja ruokapalkkion välisen yhteyden; käyttäytyminen, josta palkitaan, yleistyy. Vastakkaistyyppisissä kokeissa käyttäytyminen, josta rangaistaan, vähenee. Keppi- ja porkkanamenetelmä on tehokas, kun halutaan saada laboratoriorotat tekemään vaadittuja temppuja.

Pikkuaivot ja motorinen oppiminen

Pikkuaivokuoreen tuo signaaleja kaksi eri järjestelmää: kiipeävät (climbing) ja sammalsäikeet. Jälkimmäiset synapsoivat jyvässoluihin (granular cells), joiden aksonit kohoavat molekulaarikerrokseen, missä ne puolestaan synapsoivat useisiin Purkinjen soluihin. Kiipeävät säikeet taas nousevat jyvässolukerroksen läpi ja synapsoivat sadoissa kohdissa suoraan Purkinjen solujen dendriitteihin. Samassa dendriittisynapsissa voi olla sekä jyvässolun että kiipeävän solun synapsi: yhtä Purkinjen solua voidaan siis moduloida kahdella eri säietyypillä kuten ei-hebbiläistä muistisynapsia. Onkin ehdotettu, että pikkuaivot osallistuisivat ehdollisen oppimisen mekanismiin.

Vestibulo-okulaarirefleksi syntyy päätä käännettäessä: silmät pyrkivät säilyttämään katseen suunnan. Heijastekaari alkaa tasapainoelimestä, jatkuu vestibulaaritumakkeisiin ja silmien liikehermojen tumakkeisiin. Kaari on avoin, sillä ulostulo ei vaikuta sisäänmenoon kuten esim. lihaksen venytysheijasteissa. Ihmisellä heijaste on vahvan kalibroituva: kun näkökenttä käännetään nurin prismalaseilla, vestiobulo-okulaariheijasteen aiheuttama silmien kääntösuunta vaihtuu hitaasti päinvastaiseksi. Pikkuaivovauriot estävät tämän kehityksen.

Nopeiden silmänliikkeiden (sakkadien) kalibroituminen näyttää myös vaativan pikkuaivoja. Sakkadi syntyy, kun silmä nopeasti ja automaattisesti kääntää suuntaa kohti uutta kiinnostuksen kohdetta, kuten esimerkiksi äkillistä ääntä. Jos apinan silmän liikuttajalihaksia vaurioitetaan, sakkadit jäävät ensin vajaiksi. Päivien kuluessa tarkkuus lisääntyy ja sakkadit normalisoituvat.

Kaikista hienoista koetuloksista huolimatta ei ole varmaa näyttöä siitä, että pikkuaivot osallistuisivat motorisen muistin pitkäaikaisvarastointiin. Ne voivat toimia reaaliajassa liikkeitä ohjaten ja mahdollisesti toimittaa informaatiota muille rakenteille, joissa oppiminen varsinaisesti tapahtuu.

Nämä synapsimuutoksiin perustuvat muistiteoriat edustavat huomattavan vahvaa reduktionistista suuntausta. Tietyissä tapauksissa lyhyt- ja pitkäaikaismuisti eivät vaadi suuria anatomisia muutoksia keskushermostossa. Uusia ratoja tai hermosoluja ei tarvita; muisti liittyy transmission tehon muutoksiin. Oppiminen ei myöskään vaadi erityisiä muistikeskuksia, vaan se tapahtuu hermosoluissa, jotka ovat toiminnan olennaisia osia. Oppiminen ei ole riippumaton ilmiö; se on jo olemassaolevan aivotoiminnan muotoilua. Tämä ei kuitenkaan ole yleistettävissä. Kun on oppinut kirjoittamaan, voi kirjoittaa paitsi käsillään, myös jaloillaan, vaikka jälki tietenkään ei ole kovin hyvää; motoriikkaan käytetyt radat ovat luonnollisesti erilaiset kuin käsin kirjoitettaessa.

Synapsit voivat muuttua ainakin kolmella tavalla, jotka saattavat vaikuttaa pysyvään muistiin: 1) synapsiraon molemmin puolin olevien pre- ja postsynaptisten solukalvojen pinta-ala kasvaa, 2) postsynaptisen potentiaalin kestoaika pitenee ja 3) neuronin laukeamiskynnys alenee. Kaikki nämä muistimekanismit voivat vaikuttaa yhdessä, kun neuronirata "ajetaan sisään" eli informaatio pannaan pysyvään muistiin. Tehtävä vaatii energiaa, joten solun metabolismi vastaavasti kiihtyy. Tämä koskee erityisesti RNA-molekyylien kontrolloimaa proteiininisynteesiä.

Aivopuoliskojen välisten yhteyksien vaikutus muistiin

Aivokurkiainen (Corpus callosum) on aivopuoliskojen välinen tärkein kommunikaatioväylä. Katkaisemalla se saadaan koe-eläin, jolla on ikäänkuin kahdet aivot.

Seuraava kissakoe valaisee aivokurkiaisen merkitystä oppimisessa ja muistissa. Koe-eläimen optinen kiasma halkaistiin pituussuuntaan, jonka jälkeen informaatio kummastakin silmästä meni vain samalle puolelle aivoja. Kissan toinen silmä peitettiin ja eläin opetettiin reagoimaan määrätyllä tavalla tiettyyn näköärsykkeeseen. Tämän jälkeen peite siirrettiin toiseen silmään. Tuloksena oli, että eläin selviytyi edelleen tehtävästä, joten tieto oli siirtynyt aivopuoliskolta toiselle. Sen sijaan kissa, jonka aivokurkiainen myös oli katkaistu, ei kyennyt suoriutumaan tehtävästä sen jälkeen kun silmälaput oli vaihdettu. Tällaisella eläimellä on ns. halkaistut aivot.

Tutkimuksissa tehtiin lisäksi se mielenkiintoinen havainto, että jättämällä pieni, noin 2 mm:n levyinen aivokurkiaisen kaistale katkaisematta informaatio siirtyi aivopuoliskolta toiselle. Tuloksen kannalta ei ollut tärkeää, mihin kohtaan aivokurkiaista hermoradat jätettiin koskemattomiksi. Havaittiin siis, että vaurion vaikutus muistiin ei niinkään riipu vaurion paikasta kuin sen laajuudesta.

Apinalle, jonka aivot on halkaistu, voidaan opettaa kahta toisilleen vastakkaista tehtävää samanaikaisesti, jolloin muistikuva toisesta suorituksesta varastoituu vasempaan aivopuoliskoon ja toinen oikeaan. Eläin ei näytä huomaavan olotilassaan mitään tavallisuudesta poikkeavaa.

Jos aivokuorta stimuloidaan mekaanisesti tai jos sen pinnalle asetetaan KCl-kide, läheisyydessä olevat neuronit alkavat laukoa impulsseja raivokkaasti. Tästä seuraa kaliumin määrän kasvu solujenvälitilassa, mikä puolestaan lisää aktiopotentiaalien määrää ja siten myös K+-ioneja solujen ulkopuolella. Lopputuloksena on, että ärsytetty alue väsyy ja lopettaa impulssien laukomisen 1/2–1 tunniksi. Lisäksi vaikutus leviää ympäristöön nopeudella 2–3 mm/min. Ilmiötä kutsutaan aivokuoren masentamiseksi (depressio).

Apinoilla on tehty seuraava koe. Eläimelle opetetaan jokin uusi asia samaan aikaan kun esim. vasen aivopuolisko on masennettu. Tämän jälkeen oikea aivopuolisko masennetaan vasemman puolen vähitellen palautuessa normaaliksi. Nyt todetaan, että apina ei selviydy juuri oppimastaan tehtävästä, joten tieto ei siis ole siirtynyt oikealta, oppia saaneelta aivopuoliskolta vasemmalle puolelle. Erityisen merkittävää on, että tieto opitusta tehtävästä ei automaattisesti siirry aivopuoliskojen välillä senkään jälkeen, kun molemmat puolet ovat palautuneet normaalitilaan.

Sen sijaan, jos apinan tämän jälkeen annetaan toistaa oppimansa tehtävä muutaman kerran molempien aivopuoliskojen ollessa normaalissa tilassa, tieto saadaan myöhemmin esille kummalta aivopuoliskolta hyvänsä toisen puolen ollessa masennettu. Tiedon siirtäminen vaatii siis sen käyttöä.

Muistia koskevista teorioista

Yhteenvedonomaisesti voidaan todeta, että muistia koskevan teorian on kyettävä ottamaan huomioon ainakin seuraavat seikat: 1) Monet aivokuoren neuronit ovat spontaanisti aktiivisia. 2) Aivokuorelle saapuva ulkopuolinen informaatio aktivoi suunnattoman määrän neuroneja, jotka ovat jakautuneet kaikkialle korkeksin alueelle. 3) Lyhytaikainen muisti, jonka vallitessa tieto on helppo unohtaa, toimii noin 30 minuuttia. 4) Puolessa tunnissa asia on painettu pysyvään muistiin, josta se ei häviä edes lyhytaikaisen tajuttomuustilan aikana. 5) Aivokuorelle saapuvasta informaatiotulvasta vain pieni osa varastoidaan muistiin. Osa tiedosta painetaan muistiin automaattisesti, osa aktiivisen toiminnan (esim. opiskelu) seurauksena, osa taas pyritään unohtamaan. 6) Valveillaolo on välttämätön ja tarkkaavaisuus auttaa asioiden muistiin panemista. 7) Motivaatio on tärkeä.

Kun uutta aisti-informaatiota tulee aivoihin, saapuva aktiopotentiaalisarja saa aikaan impulssikierron neuronirenkaassa; tämä edustaa analogiamuodossa olevaa muistia, joka on erittäin labiili ja pyyhkäistään helposti pois häiriön sattuessa.

Intensiivinen, toistuva tai tärkeäksi koettu tieto lisää, toistaiseksi tuntemattomalla tavalla, solunsisäistä proteiinisynteesiä, jonka seurauksena synapsiraon pinta-ala kasvaa. Informaatio ei sisälly yksityiseen neuroniin, vaan neuroniverkkoon ja tieto on mielessä suhteellisen stabiilissa muodossa.

Erittäin intensiivinen, jatkuvasti toistuva tai hyvin tärkeäksi koettu tieto saattaa varastoitua solunsisäisiin RNA-molekyyleihin, jolloin informaatio on mielessä erittäin stabiilissa muodossa. On jopa esitetty, että koko elollisen luonnon muistikoodi olisi sama. Vaistot, eli tiedon periytyminen sukupolvelta toiselle, edustavat stabiileinta muistia.

Kuten edellä on käynyt ilmi, molekyylitason ilmiöt ovat hermostollisen toiminnan perusta. Muistiprosessin ymmärtämisen kannalta on kuitenkin olennaista tietää, kuinka solut kytkeytyvät toisiinsa ja kuinka eri aivoalueiden toiminnat liittyvät kokonaisuudeksi havaintoja ja käyttäytymistä tuottamaan. Yksi lähestymistapa hermoverkostojen toiminnan ymmärtämiseksi on mallintaa niitä tietokoneella. Yrityksiä on tehty sekä abstrakteilla että biologisesti tarkemmin mallitetuilla neuroneilla, joita sitten on rakennettu verkoiksi.

Aivotoimintojen selittämiseksi ja uudenlaisten laskentamenetelmien kehittämiseksi on tutkittu hermosolujen kaltaisista yksiköistä muodostettujen verkkojen ominaisuuksia. Emme paneudu tässä monisteessa hermoverkkoteorian monivivahteiseen maailmaan. Tämä on epäilemättä puute, sillä aivojen toimintaperiaatteita tuskin opitaan ymmärtämään ilman teoreettista koneistoa. Tilanne on hiukan samankaltainen kuin fysiikan ja matematiikan välillä: ilman matematiikkaa modernin fysiikan ymmärtäminen olisi mahdotonta. Vastaava väite neurotieteissä voisi kuulua:

Ilman matemaattisia hermoverkkoteorioita aivojen toiminnan ymmärtäminen on mahdotonta.

Mutta kuten matematiikkakaan ei riitä yksinään, ei hermoverkkoteorioilla ole arvoa aivojen toiminnan selittäjänä, ellei huolellisesti oteta huomioon, mitä kokeellista tietoa on saatu todellisista aivoista.

Tämä kurssi onkin keskittynyt luomaan pohjaa tämän empiirisen tiedon omaksumiselle ja ymmärtämiselle. Kiinnostunut lukija joutuu hakemaan muualta teoreettisen tietoaineksen (esim. Anderson ja Rosenfeld, 1988).

Loppulauseet

Aivokurssi päättyy tähän. Vaikka emme ole käsitelleet kovinkaan vaikeatajuisia asioita, kurssi ei silti ole aivan helppo, sillä asiaa on paljon ja kokonaiskuvan saaminen on todennäköisesti vaikeaa.

Useimmille, jotka opiskelevat ja oppivat ymmärtämään vaikkapa elektroniikkaa, syntynee samantapainen kokonaiskäsitys siitä, mikä alalla on olennaista ja miten eri asiat liittyvät toisiinsa. Sama tilanne on esim. fysiikan, lineaarialgebran, kemian tai koneenrakennuksen aloilla. Sen sijaan eri ihmiset ymmärtävät aivoja hyvinkin eri tavoilla. Filosofit, psykologit, neurofysiologit, neurokemistit, matemaatikot, informaatioteoreetikot, hermoverkkoteoreetikot ja fyysikot voivat kaikki tutkia aivoja tieteellisen menetelmän avulla, mutta lähestymistapa sekä kokonaisnäkemys poikkeavat tyypillisesti oppitaustan mukaan. Koska moderni aivotutkimus on yhä useammin poikkitieteellistä, on tärkeää oppia myös muiden tieteenalojen ajattelutapaa ja kieltä. Tämä kurssi ekskursioineen ja internet-sivuineen on toivottavasti hieman auttanut siinä.

Kirjallisuutta

Tämän kurssin tarkoituksena oli antaa sellaiset perustiedot, että kynnys aivokirjallisuuden seuraamiseksi madaltuisi ja että kommunikaatio muiden alojen aivotutkijoiden kanssa helpottuisi. Monille aivokurssin osallistujille kurssi jää kuitenkin alan viimeiseksi, vaikka tarvetta lisätiedon saamiselle olisikin. Tietoa löytyy myös suuri määrä helppolukuisia, mutta korkeatasoisia populaarikirjoja. Seuraavassa on luettelo eräistä alan kirjoista; osa niistä on erittäin hyviä ja luonnontieteilijälle jopa ns. pakollista luettavaa. Osa kirjoista on ollut näiden monisteiden lähdeaineistona.

Lisää materiaalia löytyy kurssin kotisivuilta :http://www.biomag.helsinki.fi/braincourse/brain.html

James A. Anderson ja Edward Rosenfeld, toim.: Neurocomputing: Foundations of Research. The MIT Press, Cambridge, Mass., 1988.

Edustava kokoelma hermoverkkotutkimuksen keskeisistä julkaisuista; kokoelman käyttöarvoa nostaa suuresti tekijöiden arviot kustakin artikkelista. Suositellaan lämpimästi. *****

Isaac Asimov: Asimov's Biographical Encyclopedia of Science and Technology. Pan Books, London, 1975.

Erinomainen tuhat lyhyttä tieteellistä toimintaa painottavaa elämänkertaa sisältävä teos. *****

Niels Bohr, Atomic physics and Human Knowledge

Mary A.B. Brazier: A History of Neurophysiology in the 19th Century. Raven Press, New York, 1988.

David Chalmers, The Conscious Mind. Oxford University Press, New York, 1996.

Paljon huomiota osakseen saanut teos. *****

Paul M. Churchland, Matter and Consciousness. MIT Press, Cambridge, MA, Revised edition, 1988.

Hyvä johdatus tietoisuutta käsitteviin filosofisiin suuntauksiin.

P.M. Churchland, The engine of reason, the seat of the soul, MIT Press, A Bradford book, 1995.

C. Koch and J. L. Davis, Large-scale neuronal theories of the brain, MIT Press, 1995.

Sally Springer and Georg Deutsch, Left Brain, Right Brain, W.H. Freeman and Co., New York, 1985.

Kiinnostava kirja aivopuoliskojen eroista, jaetuista aivoista jne.

John Eccles, The Human Mystery. Springer, Berlin, 1979.

Nobelisti-aivotutkija Sir John esittää upeasti näkemyksensä tietoisuuden kehityksestä valottaen dualistis-interaktionistista filosofiaansa. *****

Sara Heinämaa ja Ilkka Tuomi, Ajatuksia synnyttävät koneet. WSOY, Porvoo, 1989.

Ajatuksia synnyttävä.

Douglas R. Hofstadter: Gödel, Escher, Bach: An Eternal Golden Braid. Basic Books, 1979.

Upea kirja. *****

Kai Kaila: Hermoston ja käyttäytymisen biologiaa, Otava, 1985.

Erinomainen, lyhyt ja ytimekäs, tyylikäs ja harkittu johdatus alaan.

E.R. Kandel, J.H. Schwartz ja Thomas M. Jessell: Essentials of of Neural Science and Behavior, Appleton & Lange, Norwalk, 1995.

Paljon tietoa sisältävä hyvin tehty kurssikirja.*****

Teuvo Kohonen: Self-Organization and Associative Memory, Springer-Verlag, 1984 (2. painos, 1988).

Kohosen hermoverkon itseorganisoitumistutkimukset ovat uraauurtavia; lisäksi ne avaavat uuden yleisperiaatteen aivojen ymmärtämiseksi, vaikka kirjoittaja selkeästi erottaakin hermoverkot biologisista aivoista. *****

S.W. Kuffler, J.G. Nichols ja A.R. Martin: From Neuron to Brain. Sinauer, 1984.

Paljon tietoa sisältävä hyvin tehty kurssikirja.

A.R. Luria: The Working Brain. Penguin Books, 1973.

Kuulun psykologin ja aivotutkijan tunnettu teos, fyysikolle ehkä hieman sekava.

A.R. Luria: The Man with a Shattered World. The History of a Brain Wound. Harvard University Press; Cambridge, Massachusetts, 1987.

A.R. Luria: The Mind of a Mnemonist. Penguin Books; Hammondsworth, Middlesex, England, 1975.

Lyhyt kuvaus miehestä, jonka muisille ei löytynyt rajoja. Klassikko.

David Marr: Vision. Freeman, San Fransisco, 1982.

Nuorena kuolleen klassikkoteos.

Ilkka Niiniluoto: Informaatio, tieto ja yhteiskunta. Valtion Painatuskeskus, Helsinki, 1989.

Walter Nienstedt, Osmo Hänninen ja Antti Arstila: Ihmisen fysiologia ja anatomia. WSOY, Porvoo, 1977.

Paul Nunez, Electric Fields of the Brain, Oxford University Press, 1981.

Kirja on erittäin suositeltava niille, jotka ovat tekemisissä aivojen sähköisten ilmiöiden kanssa.

Jorma Palo, Matti Jokelainen, Markku Kaste, Heikki Teräväinen ja Olli Waltimo, Neurologia, 5. painos, WSOY, Porvoo 1996.

Ben Pansky, Delmas J. Allen ja G. Colin Budd: Review of Neuroscience. Macmillan, New York, 1988.

Runsaasti kuvia sisältävä, hyvä tiivistelmä neurotieteistä.

W. Penfield: The Mystery of the Mind. Princeton University Press, Princeton, N.J., 1975.

Pitkän elämänkokemuksen kypsyttämiä menestyksellisen aivotutkijan ajatuksia.

Roger Penrose, The Emperor’s New Mind, Oxford Univ. Press, 1989.

Upea kirja, jossa mielen ongelmaa lähestytään monelta suunnalta.

James O. Pickles: An Introduction to the Physiology of Hearing. Academic Press, London, 1982.

Hyvin suositeltava aiheesta kiinnostuneelle.

Steven Pinker: How the Mind Works. Norton & Co., New York, 1997.

P. Rakic ja W. Singer, toim.: Neurobiology of Neocortex. Wiley, Chichester, 1988.

David Regan: Human Brain Electrophysiology. 1989.

Massiivinen, hyvin kirjoitettu, luettava teos; tekstistä on erinomaiset viittaukset yli 2500 lähdettä sisältävään kirjallisuusluetteloon.

David E. Rumelhart ja James L. McClelland, toim.: Parallel Distributed Processing. The MIT Press, Cambridge, Mass., 1987.

Oliver Sacks, The Man Who Mistook His Wife for a Hat, Pan Books (Picador), 1987.

Mielenkiintoisia potilastapauksia. Saatavissa myös suomeksi.

Carl Sagan: The Dragons of Eden. Ballantine Books, New York, 1978.

Universalistin ideoita intelligenssin evoluutiosta.****

Erwin Schrödinger: What is Life? & Mind and Matter. Cambridge University Press, Cambridge, 1967.

Tunnetun fyysikon harkittuja ajatuksia. Klassikko.

A.C. Scott: Neurophysics. Wiley, New York, 1977.

Eric L. Schwartz: Computational anatomy and functional architecture of striate cortex: A spatial mapping approach to perceptual coding. Vision Res. 20, 645–669, 1980.

Scientific American (September 1979 ja September 1992).

John Searle, Minds, Brains and Science. Harvard Univ. Press, Cambridge, MA, 1984.

Sally P. Springer ja Georg Deutsch: Left Brain, Right Brain. Freeman, New York, 1985.

Richard Thompson: The Brain, Freeman, New York 1985.

Kurssikirja, jota aikaisemmin käytettiin aivo-kurssilla. OK.

Veijo Virsu, Aivojen muotoutuvuus ja kuntoutuminen, Kuntoutussäätiö, Helsinki, 1991.

Erinomainen kirja.

Quantum Theory and Measurement, toim. John Archibald Wheeler ja Wojciech Hubert Zurek, Princeton Univ. Press, Princeton, N.J., 1983.

Sisältää Wignerin tietoisuuden ja kvanttimekaniikan yhteyksiä käsittelevän artikkelin. Wheeler valottaa luonnon reaalisuuden riippuvuutta mittauksista.

J.Z. Young, Programs of the Brain, Oxford Univ. Press, 1978.

Hyvä kirja aivojen softasta.

S. Zeki ja S. Shipp: The functional logic of cortical connections, Nature 335, 311–317 (Sept. 1988).