1. Solut
    1. Solukalvo
    2. Solun energiatalous
    3. Aivosolut
      1. Hermosolut
        1. Dendriitit ja aksoni
      2. Tuki- eli gliasolut
    4. Synapsit
    5. Veri-aivoeste
  2. Aivokuori
    1. Isoaivokuori
      1. Aivokuoren pylväsrakenne
      2. Kortikaaliset yhteydet
    2. Pikkuaivokuoren rakenne
  3. Aivokuoren tutkimusmenetelmiä


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 reaktioden 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 um, kun taas veren punasolun halkaisija on vain noin 8 um. 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.


kuva 13Kuva 13

Solukalvo koostuu fosfolipidien kaksoiskerroksesta.


kuva 14Kuva 14

Solukalvon erityisominaisuudet johtuvat sen sisältämistä valkuaisainemolekyyleistä, jotka voivat tunkeutua osittain tai kokonaan kalvon läpi (Kuva 14).

Kalvon proteiinimolekyylien toiminnot vaativat noin kolmanneksen koko solun käyttämästä energiavirrasta. 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.

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 proteiineja, lipidejä, nukleiinihappoja ja muita yhdisteitä. Uutta materiaalia saadaan ravinnon ja hengityksen kautta; vanha poistuu kuona-aineina. Tämä biosynteesi ei rajoitu kasvuvaiheeseen vaan se 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 lisääntyy ajan myötä. Elimistössä tämä merkitsee sitä, että konsentraatioerot pyrkivät tasoittumaan, monimutkaiset rakenteet vähitellen hajoavat ja biologinen muisti rappeutuu. Soluissa epäjärjestyksen lisääntymistä torjutaan esim. aineiden aktiivisen kuljetuksen avulla ja viallisia rakenteita paikataan. Järjestyksen ylläpitäminen vaatii jatkuvaa energiavirtaa; termodynamiikan edellyttämä entropian kasvu toteutuu ympäristössä.

Aineita aktiivisesti kuljetettaessa molekyylejä on siirrettävä konsentraatiogradientin suuntaan eli pienestä pitoisuudesta suurempaan. Tämä vaatii ulkoista energiaa toisin kuin passiivinen kuljetus. 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[1].

Solun tärkein ja 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. Vaikka ihmisen aivojen paino on vain noin 2% kehon koko painosta, aivojen hapenkulutus (50 millilitraa puhdasta happea minuutissa) on 20% ihmisen koko happitarpeesta lepotilassa. Tämä valtava energian käyttö johtuu ilmeisesti Na-K-pumppujen toiminnasta. Aivojen hapentarve ei levon aikana 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, että hermosolu laskee 1000 synaptisen potentiaalin summan keskimäärin 100 ms:n välein, voidaan arvioida, että yhden laskutoimituksen suoritukseen kuluu suuruusluokkaa 0,1 pJ. Nykyaikaiset tietokoneet käyttävät useita kertaluokkia enemmän energiaa laskutoimitusta kohti.

Impulsseja laukovat neuronit tarvitsevat enemmän ravintoa kuin passiiviset hermosolut. Tätä seikkaa voidaan käyttää hyväksi aktiivisten neuronien löytämiseksi.[2] 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. Äskettäin kehitetty funktionaalinen MRI (fMRI) antaa mahdollisuuden mitata verenkierron muutoksia myös ilman merkkiaineita.

Kehon käyttämiä polttoaineita ovat sokerit, rasvat ja aminohapot, joista neuronit voivat käyttää energialähteenään 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 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. Maksasolujen mitokondrioiden elinajaksi on arvioitu 10--20 vrk. Solun toimintojen ylläpitämiseksi solu pystyy syntetisoimaan entsyymejä ja muita monimutkaisia molekyylejä. Nämä tuotteet on tarvittaessa kuljetettava dendriittien tai aksonin päähän.

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 aksonin päätä kohti nopeasti, 10--20 cm/vrk eli noin 1 um/s.


kuva 15Kuva 15

Rakkuloita ja entsyymejä kuljetetaan aksonia pitkin soomasta hermopäätteeseen. Vastakkaiseen suuntaan taas virtaa neuronin hyvinvoinnille välttämättömiä aineita.

Toistaiseksi ei vielä tarkkaan tiedetä, miten erilaiset kuljetusmekanismit toimivat samanaikaisesti, mutta neurofibrilleillä on ilmeisesti tärkeä tehtävä. Seuraamalla radioaktiivisella isotoopilla merkittyjen proteiinien kulkua aksonia pitkin aivojen "kytkentäkaaviosta" on saatu paljon tietoja. Samaan tarkoitukseen voidaan myös käyttää piparjuuriperoksidaasi-nimistä 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 16 esitetään muutama hermosolun perustyyppi. Neuronin pääosat ovat sooma, tuovat haarakkeet eli dendriitit ja vievä haarake eli aksoni (Kuva 17). Tiedon siirto pitkin aksonia perustuu solukalvon läpi ulottuviin ionikanaviin, joiden läpäisevyys natrium- ja kaliumioneille muuttuu kalvojännitteen funktiona siten, että aksoniin on mahdollista saada etenemään vaimentumaton jänniteaalto, aktiopotentiaali.


kuva 16Kuva 16

Hermosolujen perustyyppejä.

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 ns. Na-K-pumput, 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 aikana soluun virtaa natriumia muuttaen sisäpuolen positiiviseksi. Aktiopotentiaalin edetessä säilyy jännitepulssin amplitudi 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 eksitatoriset (toimintaa kiihdyttävät) ärsykkeet muilta soluilta lähinnä dendriitteihin ja inhibitoriset (toimintaa estävät) lähinnä soomaan (Kuvat 16 ja 17). Neuronissa on tyypillisesti useita dendriittejä mutta vain yksi aksoni; tällainen solu on multipolaarinen. Dendriittit ovat yleensä runsaasti 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.Soomaosan sitä kohtaa, josta aksoni erkanee, kutsutaan aksonikeoksi (axon hillock , Kuva 17). Siinä ovat solukalvon jänniteherkät ionikanavat laukeavat ensimmäisinä, kun synapseista lähtöisin oleva depolarisaatio saavuttaa kynnysarvon.


kuva 17Kuva 17

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 (periferiessa Schwannin solujen) muodostamalla myeliinitupella (Kuva 18).
kuva 18Kuva 18

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 eristäväksi myeliinitupeiksi aksonien ympärille muodostaen jopa 50 kerrosta (Kuva 18). Yksi oligodendrosyytti voi muodostaa myeliinitupen monen eri aksonin ympärille (Kuva 19), mutta toisaalta kunkin aksonin myeliinituppi on monen oligodendrosyytin tuote. Kahden oligodendrosyytin muodostaman tuppiosan väliin jää lyhyt paljas alue nimeltään Ranvierin kurouma (node of Ranvier).


kuva 19Kuva 19

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 19 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 myeliini turpoaa joissakin keskushermoston osissa. Tautitilan syy on tuntematon; elimistön puolustusmekanismien yliaktiviteettia on arvioitu sen aiheuttajaksi. Skleroosiplakit häviävät usein itsestään mutta pieniä arpia kudokseen silti jää. Plakki voi kehittyä mihin tahansa keskushermoston osaan ja niiden aiheuttamat oireet voivat siis olla erittäin moninaisia.

Synapsit

Hermosoluverkon informaationkäsittely perustuu solujen välisiin kytkentöihin; solun laukomistaajuus riippuu yleensä tulevien signaalien painotetusta summasta. Painokerroin riippuu synapsin paikasta: kaukana soomasta olevilla synapseilla on pienempi paino kuin lähellä olevilla. 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 postsynaptisen (synapsinjälkeisen) solun solukalvolle vaikuttaen siellä. Keskushermoston määrällisesti tärkeimmät välittäjäaineet ovat aminohappoja. Eksitatorisia välittäjäaineita ovat glutamaatti ja aspartaatti; gamma-aminovoihappo ([[gamma]]-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.

Noradrenaliinin transmissiohäiriöt liittyvät maanis-depressiivisiin sairauksiin ja verenpainetautiin. Dopamiinin transmissio on muuttunut parkinsonismissa ja psykooseissa. GABA-transmissioon vaikuttavat aineet ovat hyödyllisiä ahdistusneuroosien samoin kuin epilepsian hoidossa. Myastenia gravis, halvausmainen lihasheikkous on lihasten asetyylikoliinireseptorien toiminnan häiriö.

Veri-aivoeste

Neuronien toiminta riippuu olennaisesti niiden solukalvon reseptorien ja välittäjäaineiden esteettömästä toiminnasta; vähäisetkin myrkkymäärät tai poikkeamat kemiallisesta perustilasta voivat merkittävästi haitata aivojen toimintakykyä. Aivojen suojaksi turvaamaan optimaalinen toimintaympäristö 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 20. Golgin hopeavärjäyksellä solut näkyvät kokonaisina, mutta jostain syystä vain noin sadasosa niistä värjäytyy. Nisslin menetelmä saa esiin soomaosat, myeliinivärjäys taas hermosyyt.


kuva 20Kuva 20

Isoaivokuoren kerrokset eri värjäystekniikoilla nähtynä. Kerrokset: I, molekulaarikerros; II ja IV, ulompi ja sisempi jyväsolukerros; III ja V, ulompi ja sisempi pyramidisolukerros; VI, monimuotoisten solujen kerros.

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 (Kuva 16).

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 4. ja 5. 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

Hajurataa lukuun ottamatta sensoriset yhteydet periferiasta aivokuorelle välittyvät talamuksen kautta. Välittäjäaineena on glutamaatti ja/tai aspartaatti; mahdollisesti joissakin soluissa on samanaikaisesti vielä peptiditransmittereita. Hermoradat päättyvät pääasiassa aivokuoren keskikerroksiin (IV--III); lähes kaikissa näiden kerrosten dendriiteissä on talamokortikaalisia hermopäätteitä ainakin tunto- ja näköaivokuorella. Myös kortikokortikaaliset yhteydet tulevat keskikerroksiin. Lisäksi korteksin pintakerrokseen ja kerrokseen VI tulee talamisia yhteyksiäTalamuksen erikoistumattomat (epäspesifit) tumakkeet lähettävät aksoninsa pääasiassa kerrokseen I.

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 komissuraaliyhteydet näyttävät toisilla aivoalueilla menevän lomittain samalta aivopuoliskolta tulevien yhteyksien 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 pienempiä: niiden aksonit nousevat pikkuaivojen pinnalle ja haarautuvat siellä ja synapsoivat Purkinjen soluihin. Lisäksi pikkuaivoissa on korisoluja ja tähtisoluja sekä gliasoluja. Pikkuaivokuoresta lähtee vain Purkinjen solujen säikeitä. Sinne tulevia yhteyksiä ovat kiipeävät säikeet (climbing) ja sammalsäikeet (mossy fibers); lisäksi sinne saapuu noradrenergisia ja serotonergisiä 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, missä 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, mutta niiden toiminnallinen ero on tuntematon. 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 aivokuorialueita 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) 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 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 (kanilla ja apinalla) vuonna 1875. 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 21). Ihmisaivoja voidaan tutkia tällä tavalla vain aivoleikkauksen aikana; sen sijaan menetelmää on käytetty ahkerasti kissoilla ja apinoilla tehdyissä kokeissa. Hubel ja Wiesel saivat tällä keinolla saamistaan näköaivokuoren tutkimustuloksista Nobelin palkinnon vuonna 1981. Mikroelektrodimittaukset ovat osoittautuneet erittäin tehokkaaksi keinoksi kerätä informaatiota hermosolujen toiminnasta, joskin yleensä tietoa saadaan vain pieneltä alueelta.


kuva 21Kuva 21

Hermosolun sähköistä toimintaa voidaan rekisteröidä suoraan mikroelektrodilla.

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 mm. veren happipitoisuudesta (hemoglobiinin magneettinen suskeptibiliteetti muuttuu hapen sitoutuessa siihen), magnetoenkefalografia (MEG) ja elektroenkefalografia (EEG) taas aivojen sähköisestä toiminnasta. Näitä tutkimusmenetelmiä käsittelemme myöhemmin tarkemmin.

Aivojen synnyttämät sähkövirrat aiheuttavat magneettikentän, jonka vuontiheys pään ulkopuolella 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. Teknillisen korkeakoulun kylmälaboratorion 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 elektroenkefalografialla (EEG), joskin EEG:llä paikkatarkkuus ei ole aivan yhtä hyvä kuin MEG:llä. Aivomagnetismia käsitellään melko yksityiskohtaisesti myöhemmin.


[1] ATP-molekyylin rakenneosat on esitetty kuvassa 15. Kun ATP:stä irtoaa yksi fosforihappotähde, syntyy adenosiinidifosfaattia (ADP); jos toinenkin poistuu, jäljelle jää adenosiinimonofosfaatti (AMP). Kummankin liitoksen purkaminen vapauttaa energiaa noin 60 kJ yhtä ATP-kilogrammaa kohti. Sama energiamäärä tarvitaan AMP:n lataamisessa takaisin ADP:ksi ja ADP:n ATP:ksi. Koska ATP:tä on vain kymmeniä grammoja, täytyy koko ATP-varasto kierrättää keskimäärin puolessa minuutissa, jotta ihmisen 100 W:n suuruusluokkaa oleva energiankulutus tyydyttyisi.

[2] Ravintoaineena käytetty glukoosi metabolisoituu nopeasti, mutta sen kemiallinen lähisukulainen, 2-deoxyglukoosi, jota solu pumppaa sisäänsä samaan tapaan kuin glukoosia, ei metabolisoidu, vaan kerääntyy soluun. Jos radioaktiivisella aineella merkittyä 2-deoxyglukoosia ruiskutetaan vereen, sitä kerääntyy pääasiassa aktiivisiin neuroneihin ja aine voidaan havaita autoradiografisin menetelmin. Sen jälkeen, kun merkkiaine on löytänyt kohteensa, koe-eläin tapetaan, ja leikkeitä aivoista asetetaan valokuvauslevylle. Merkkiainetta sisältävät kohdat valottavat levyä; jakauma voidaan nähdä valmiista kuvasta. Tällä keinolla on mm. selvitetty, että eri silmistä tulevat yhteydet muodostavat näköaivokuorelle vuorottelevia silmä-dominantteja juovia.



Edellinen luento Takaisin luentosivulle Seuraava luento