Aivoja kutkuttava viikkoharjoitus 1

Ohessa on ryhmämme pohdinnat kurssin “Tfy-99.2710 Johdatus ihmisaivojen rakenteeseen ja toimintaan (5 op)” ensimmäiseen viikkoharjoitukseen.

1) Jos kerran aivojen absoluuttinen tai suhteellinen koko ja aivokuoren rypistyneisyys korreloivat älykkyyden kanssa, niin täytyykö delfiinejä sitten pitää yhtä älykkäinä kuin ihmisiä?

Aivojen koko korreloi ainakin jossakin määrin älykkyyden kanssa, ja delfiineillähän aivot ovat tunnetusti suuret. Aivojen suhteellisen koon perusteella delfiinejä voidaankin pitää jopa toiseksi älykkäimpänä lajina ihmisen jälkeen. [1] Toisaalta joidenkin tutkimusten mukaan ennemminkin aivojen rakenteet ja molekulaarinen aktiivisuus synapseissa määrittävät älykkyyden. Tällä perusteella valaiden älykkyyskin voidaan kyseenalaistaa, sillä niiden aivoissa on suuri määrä tukirankana toimivia gliasoluja, jotka lisäävät tilavuutta mutta eivät erään tulkinnan mukaan älykkyyttä. [2] Lisäksi älykkyyden absoluuttinen määritteleminen on vaikeaa, erityisesti kun pitäisi soveltaa tätä ihmisen luomaa käsitettä eläimiin. Tämä varmaankin selittää sen, miksi eri tutkijoilla tuntuu olevan hyvinkin erilaisia käsityksiä siitä, kuinka älykkäinä delfiinejä tulisi pitää.

2) Lepotilassa hermosolun sisällä on huomattavasti suurempi konsentraatio K+ -ioneja kuin ulkopuolella. Miksi sisäpuolen potentiaali sitten on negatiivinen ulkopuoleen verrattuna?

Ryhmäläisemme Vili Auvinen piirsi kuvan Photoshop CS5.1-ohjelmalla havainnollistamaan tilannetta. Kuvan vihreät pallot esittävät anioneina toimivia kloridi-ioneja, punaiset pallot kationeina toimivia kalium-ioneja, siniset neliöt natrium-ioneja ja oranssit neliöt anioneina toimivia ioneja ja molekyylejä solun sisällä, kuten kalsiumia ja erilaisia proteiineja. Kuvan keskellä kulkee ganglion solumembraani.

Kuten kuvasta havaitaan, ero sähköisesti varautuneiden ionien välillä solukalvon välittömässä läheisyydessä aiheuttaa potentiaalieron kalvon pinnalle. Solukalvonvälittömässä läheisyydessä solun ulkoisessa tilassa on suurempi Na+ -konsentraatio, kun taas solun solukalvon sisäpuolella negatiivista varausta aiheuttaa erilaiset anioneina toimivat proteiinit sekä esimerkiksi kalsium. Tämä aiheuttaa solun sisäpuolelle ulkopuoleen verrattuna negatiivisen potentiaalin.

3) Kaapeliteoria kertoo, että paksummissa aksoneissa (kuten mustekalan jättiläisaksoni) aktiopotentiaalit kulkevat nopeammin. Selkärankaisten aksonit on usein päällystetty sähköisesti eristävällä myeliinitupella, jolloin aksoni voi olla ohuempi nopeuden kärsimättä. Mihin perustuu aksonin myeliinitupen hyöty?

Aksonien ympärillä olevassa myeliinitupessa on tasaisin välein Ranvierin kuroumiksi kutsuttuja, noin 1 µm:n pituisia aukkoja. Niiden kohdalla aksonin solukalvo ei ole päällystetty myeliinitupella, ja ionipumppujen ioneja siirtävä toiminta on mahdollista. Ionipumput mahdollistavat ionien vuodon solukalvon läpi ja ylläpitävät solukalvon kalvojännitettä Ranvierin kuroumien kohdalla. Käytännössä siis koko solu voisi olla myeliinitupetonta, jolloin sen täytyisi kuitenkin olla hyvin paksu, jotta aktiopotentiaali säilyisi voimakkaana ja kulkisi loppuun saakka. Tasaisin välein ilmenevät myeliinitupet kuitenkin eristävät solua sähköisesti, jolloin se voi toimia tehokkaasti myös ohuena. Myeliinituppien väleihin jäävät “aukot” (eli Ranvierin kuroumat) aiheuttavat aksonin jaksottaisuuden, joka saa aikaan aktiopotentiaalin eli toimintajänniteen “hyppimisen” eli saltatorisen etenemisen myeliinipäällysteisissä aksoneissa, sillä Ranvierin kuroumien kohdalla kalvopotentiaali ylittää etenevän aktiopotentiaalin kynnyspotentiaalin.

Saltatorinen eteneminen on tasaista etenemistä nopeampaa, joten aktiopotentiaalit etenevät nopeammin myeliinitupella päällystetyissä aksoneissa.
[3, 4]

[1] http://news.discovery.com/animals/dolphins-smarter-brain-function.html
[2] http://www.scientificamerican.com/article.cfm?id=does-brain-size-matter
[3] http://en.wikipedia.org/wiki/Myelin_sheath_gap
[4] http://en.wikipedia.org/wiki/Saltatory_conduction