Koska en ole aikoihin päivittänyt blogia, päätin pyhittää yhden blogitekstin tämän hetken isoimmalle urakalleni, lääketieteen laitoksen järjestämälle neurotieteiden kurssille. Ja koska neurotieteet kaikessa moninaisuudessaan ovat yksi itseäni eniten kiehtova tieteenala, iso osa kirjoituksistani liittyy jollakin tavalla hermostoon. Siksi päätin tehdä katsauksen neurotieteiden perusteisiin: mitä neurotieteet ovat, mitä ovat neurotieteen tutkimusmenetelmät ja mitä me ylipäätään tiedämme aivoista?
Hermosto on elin, joka kehittyy hedelmöittymisen jälkeen ensimmäisen kuukauden aikana ektodermistä ensin hermostolevyksi ja lopulta hermostopuken kautta hermostoputkeksi. Hermostoputken yläosaan muodostuu aivojen esiaste, josta ovat erotettavissa etu-, keski- ja taka-aivot. Sikiönkehitysopin (embryologia) ymmärrys on tärkeää aivojen rakenteen ja yhteyksien muodostumisen ymmärrykselle, ja sen kautta on myös suhteellisen helppo oppia aivojen eri rakenteita.
Hermosto voidaan jakaa keskus- ja ääreishermostoon. Keskushermostoon kuuluvat aivot ja selkäydin, ja ääreishermostoon kuuluvat spinaaliset hermot, siis muun elimistön hermotus. Ääreishermosto voidaan puolestaan jakaa fysiologisesti somaattiseen ja autonomiseen hermostoon. Yksinkertaistettuna, somaattinen hermotus koskee kaikkea tahdonalaista, ja autonominen hermotus niitä toimintoja, jotka tapahtuvat tiedostamattamme tai tahtomattamme (esim. sisäelinten hermotus, refleksit ja fysiologiset tapahtumat, kuten punastuminen). Autonominen hermosto voidaan jakaa vielä sympaattiseen ja parasympaattiseen hermostoon, jotka vastaavat hieman erilaisista toiminnoista. Sympaattiseen hermostoon liittyy olennaisesti ”fight-or-flight” reaktio: stressiin ja valppauteen kytkeytyvä hermotus, jolloin esimerkiksi verenkiertoa ohjataan ruuansulatuselimistä ja iholta luurankolihaksiin. Parasympaattisesta hermotuksesta selkein esimerkki on juurikin ruuansulatus.
Hermosto muodostuu hermosoluista, neuroneista ja hermotukisoluista, gliasta. Neuronien rakenne on perustoiminnoiltaan samankaltainen kuin muillakin soluilla: soluista löytyvät mitokondriot, tumat, solulimakalvostot jne. Ominaista hermosoluille on kuitenkin niiden kyky välittää elektronisia signaaleja, aktiopotentiaaleja, muille hermosoluille tai esim. lihassoluille, ja aiheuttaa niissä vasteita. Lisäksi hermosoluille ovat ominaisia pitkät haarat, neuriitit, jotka voidaan jakaa aksoneihin ja dendriitteihin. Aksonit ovat hermosolun soomasta (solukeskus) viestejä poispäin vieviä rakenteita ja dendriitit ovat viestejä vastaanottavia rakenteita. Aktiopotentiaalit voivat siirtyä hermosolusta toiseen joko sähköisesti tai kemiallisesti. Kemiallinen viestinvälitys neuroneissa on kuitenkin yleisempää, ja se tapahtuu synapsien kautta. Synapsit ovat informaation siirtoon erikoistuneita rakenteita, jotka koostuvat monista monituisista proteiineista. Synapsia edeltävää neuronia kutsutaan presynaptiseksi ja synapsin jälkeistä neuronia postsynaptiseksi. Hermosolujen väliin jää pieni rako, synapsirako, johon presynaptinen solu vapauttaa välittäjäaineensa: neurotransmitterin, joka sitoutuu postsynaptisella kalvolla sijaitsevaan reseptoriinsa (proteiini, joka muuttaa muotoaan aiheuttaen vastaanottavassa solussa jonkin vasteen). Näin viesti siirtyy hermosolusta toiseen.
Hermosolut voivat perustoiminnaltaan olla joko eksitatorisia (aktivoivia) tai inhibitorisia (aktiivisuutta hillitsevä, tekee solukalvopotentiaalin entistä negatiivisemmaksi). Aktivoivaan hermosoluun liittyy yleensä jokin aktivoiva neurotransmitteri, kuten glutamaatti, asetyylikoliini tai adrenaliini, ja inhiboivaan esimerkiksi GABA tai glysiini. Nämä ”erisuuntaisesti” aktivoivat hermosolut sitten muodostavat koko hermostossa monimutkaisen järjestelmän, jossa vuoroin aktivoidaan ja vuoroin inhiboidaan, käsitellään ja välitetään erilaista informaatiota, ja saadaan aikaan erilaisia fysiologisia vasteita.
Keskushermosto (CNS), ennen kaikkea aivot, ohjaavat kaikkea tietoista ja tiedostamatonta toimintaamme. Aivot sijaitsevat aivokopassa ja aivoja ympäröi kolmekerroksinen kalvorakenne. Aivot koostuvat harmaasta ja valkeasta aineesta: harmaa aine sisältää solujen soomaosia, ja valkea aine aksoneita. Tarkastellessamme aivojen ulkoista rakennetta, tärkeimpiä ominaisuuksia ovat kaksijakoisuus, siis niin iso- kuin pikkuaivoissakin on oikea ja vasen puolisko. Isoaivojen oikean ja vasemman puoliskon välillä on pitkittäinen aivouurre (vapaa suom., longitudinal cerebral fissure), ja mikäli tätä uurretta raotetaan, voidaan erottaa isoaivopuoliskoja yhdistävä corpus callosum, jonka kautta informaatio kulkee aksoniratoja pitkin. Lisäksi voidaan havaita aivorunko, joka vastaa alkukantaisemmista toiminnoista, kuten elimistön tasapainon ylläpidosta.
Aivot voidaan jakaa telencephaloniin (etuaivot; cerebral cortex ja basal ganglia), diencephaloniin (etuaivot; talamus ja hypotalamus), mesensephaloniin (keskiaivot; tectum ja tegmentum), metencephaloniin (taka-aivot; pons ja cerebellum) sekä myelencephaloniin (taka-aivot; medulla oblongata). Näistä alueista aivokuorella (cerebral cortex) sijaitsevat mm. aisteihin, motoriikkaan ja korkeampiin aivotoimintoihin liittyvät alueet. Basaaliset etuaivot ja pikkuaivot (cerebellum) liittyvät liikkeiden tuottoon, hallintaan ja motoriseen pikkusäätöön. Muita merkittäviä alueita ovat muistin kannalta merkittävä hippokampus ja tunnekeskukseksikin tituleerattu mantelitumake (amygdala). Näiden anatomisten alueiden välillä kulkee erisuuntaisia informaatioreittejä, joista yksi merkittävä on internal capsule (valkeaa ainetta) talamuksen ja aivokuoren välillä.
Neurotieteellinen tutkimus toteutetaan eläinkokein, erilaisin kuvantamismenetelmin ja geeniteknologian avulla. Kuvantamismenetelmistä merkittävimpiä ovat PET (positron emission tomography) sekä fMRI (functional magnetic resonance imaging). Näistä uudemmat mentelmät yhdistävät esimerkiksi magneettikuvausta ja spektroskopiaa (MRS) tai sähkökäyrää (MEG). Patch clamp-menetelmällä voidaan tutkia yksittäisen ionikanavan toimintaa lasipipetin avulla ja optogenetiikka hyödyntää valon ominaisuuksia siten, että tietty valon aallonpituus saa jonkin hermosolun aktivoitumaan (valolle herkkää proteiinia tuottavaa geeniainesta on viety esim. virusvektorin avulla soluun). Optogenetiikan avulla voidaan siis hallita ja tutkia yksittäistä hermosolua ja sen toimintaa. Geeniteknologian avulla voidaan tunnistaa tiettyjä tautia aiheuttavia geenialleeleja (alleeli = vaihtoehtoinen versio geenistä, voi olla mutaation aikaansaama, geeni = proteiinin/proteiineja koodaava osa DNA:sta) tai sairauden riskiä lisääviä geenejä. Esimerkiksi Huntingtonin taudissa virhe on HTT-geenissä. Kun geeni ei toimi oikein, se a) joko ei tuota lainkaan haluttua proteiinia, tai b) proteiinin virheellinen rakenne aiheuttaa, ettei proteiini toimi oikein, ja tämä aiheuttaa sairauden kliiniset oireet.
Toiminnallisesti monimutkaisten toimintojen toteutumien vaatii aivoilta melkoista signaalinvälitystä, sähköistä kommunikaatiota ja neuroplastisuutta (esimerkiksi muistin muodostumisessa). Periaatteessa kävelykin on melko monimutkainen tapahtuma, joka vaatii monien eri aivoalueiden yhteistyötä ja vuorovaikutusta. Voisin jatkaa aiheesta vaikka kuinka pitkään, mutta taidan pitää tämän postauksen lähinnä katsauksena neurotieteiden perusteisiin ja hermoston anatomisiin piirteisiin. Ajattelin ensin syventyä toiminnallisiin asioihin, kuten muistiin, uneen tai vaikkapa aistien toimintaan, mutta päädyin tekemään tällaisen katsauksen nyt ensin – katsotaan sitten myöhemmin, miten syvennyn muihin aiheisiin. Aion kirjoittaa myös alkoholismista postauksen ja julkaista opinnäytetyöni aiheeseen liittyen blogin kautta. Seuraava biisi on noussut tässä kotona opiskellessani suosikikseni.
https://www.youtube.com/watch?v=4NZdggNUvq0
Tässä olisi lisäinformaatiota aiheesta, Brain Facts-kirjan muodossa. Kirjan saa myös ladattua brainfacts.org sivulta ilmaiseksi. Tähän kaipaisin vähän kommentteja, että miten ymmärrettäviä asioita nämä ovat ja olenko saanut kirjoitettua asioista tarpeeksi selkeästi, vai pitääkö siihen kiinnittää vielä enemmän huomiota. Kiitos!
