Aivoja kutkuttava viikkotehtävä 3

Ohessa on ryhmämme SaViLan vastaukset viikkotehtävään numero 3 kurssilla “Tfy-99.2710 Johdatus ihmisaivojen rakenteeseen ja toimintaan (5 op)”

1. Lähde valitsemastasi lihaksesta seuraamaan liikesignaalia taaksepäin, ja kuvaa mistä hermoston rakenteista liikekäskyt tulevat. Mistä tahdonalainen liike mahtaa saada alkunsa?

Tahdonalainen liike saa alkunsa niin sanotulta motoriselta aivokuorelta eli isoaivokuorilta [1]. Lähdetään kuitenkin seuraamaan tilannetta päinvastaisessa järjestyksessä. Koska ryhmäläisemme tykkäävät tehdä salilla “haukkaa”, valitsimme tutkimuksen kohteeksi ihmisen dorsaalisesti oikean hauislihaksen (biceps brachii). Molemmat terveen ihmisen hauislihakset ovat myös neoronisilta toiminnoiltaan kuitenkin symmterisesti peilikuvia, joten ainakin nykyisen esimerkin kannalta puolella ei ole merkittävää väliä.
Hauislihas on valitsemamme tarkkailuhetken alussa supistunut; sen sarkomeerit ovat sisentyneet soluhengityksellä tuotetun (ja siten ATP:n varastoidun) energian avulla. Tähän on johtanut aivoista asti tullut ohjaava ja tietoinen signaali. Valitsemassamme lihaksessa on monia lihassoluista koostuvia lihassyitä, joista tarkkailemme nyt yhtä, sillä lihassolutkin ovat jakautuneet niputtain  motorisiin yksikköihin [2]. Yhteen tällaiseen pieneen monesta lihassolusta koostuvaan motoriseen yksikköön tulee siis supistuskäsky vain yhdeltä liikehermosyyltä (kuitenkin koko hauikseen tulee signaaleja luonnollisesti useammalta, koostuuhan hauis useista lihassäikeistä).

Tämä liikehermosyy voi olla ihmisellä parhaimmassa tapauksessa jopa metrin pitkä, mutta hauiksen tapauksessa ihmisestä riippuen noin 30 senttimetriä. Liikehermosyy on siis yksittäinen hyvin pitkä solukalvon ympäröimä solu, jonka tumallinen alkupää on keskushermoston sisäpuolella, mutta pitkä häntä (“aksoni”) kuitenkin yltää koko matkan hauikseen asti.

Ryhmäläisemme Vili Auvinen piirsi ja animoi kauniin animaation hahmoittamaan tilannetta. Kuvassa hermoimpulssi lähtee ganglion tumallisesta päästä, joka sijaitsee esimerkissämme ihmisen keskushermoston sisällä. Solun häntä eli aksoni kuitenkin tulee pitkälle ulos keskushermostosta, ja yltää hauiksen lihassäikeisiin asti [3][5].

Hauiksen supistamisen aloittanut liikesignaali on saattanut olla myös selkäytimen lähettämä refleksikäsky (esimerkiksi henkilön käsi on koskettanut kuumaa hellaa ja kivun aiheuttama refleksi nykäissyt käden pois). Kuitenkin esimerkissämme koehenkilö on Otaniemen salilla tekemässä hauisliikettä, ja liikesignaali on siis täysin tahdonalainen. Keskushermostossa alkuperäinen signaali on saanut alkunsa siis aivojen motorisella lohkolla isoaivokuorella.[1] Vaikka liikkeen suunnittelu onkin tapahtunut kyseiselle lohkolla, kuitenkin samaan hauikseen tulevien eri säikeiden signaaleihin vaikuttaa myös aivojen sentraaliset rytmigeneraattorit, sillä kyseinen koehenkilömme tekee kuntolaitteella nimenomaa hauissarjaa, joka on toistuva liike.[4] Aivot pyrkivät tällöin optimoimaan liikkeen sulavuutta hermosoluverkkojen rytmejä hyödyntämällä.

[1] http://www.biomag.hus.fi/braincourse/L8.html#RTFToC1
[2] http://fi.wikipedia.org/wiki/Luurankolihas
[3] http://en.wikipedia.org/wiki/Motor_nerve
[4] Risto Ilmoniemen luento 3.4.2012 kurssilla Tfy-99.2710 Johdatus ihmisaivojen rakenteeseen ja toimintaan, luentokalvoja katsottu 17.4.2012
[5] Animaatio luotu Photoshop CS5.1-ohjelmistolla sekä ninjagif-työkalulla perustuen Vili Auvisen vuonna 2011 luomaan hermografiikkaan. Vastaavaa grafiikkaa löytyy lisää muun muassa Vili Auvisen tekemiltä nettisivuilta http://best.ayy.fi/index.php/component/content/article/69-spc2012/99-let-me-enterbrain-you

2. Kuinka eri aistinreseptorien ominaisuudet vaikuttavat siihen, millaista tietoa ympäristöstä poimitaan, kuinka aivot sitä käsittelevät, ja miten havaitsemme ympäristömme? Antakaa esimerkkejä.

Ympäristöstä voimme havaita erilaisia hajuja, makuja, eri lämpötiloja tai vaikka kuulla erilaisia ääniä. Ympäristön havaitsemiseen käytämmekin siis kuulo-, tunto-, maku-, haju- ja näköaistia. Eri aistien reseptorit reagoivat eri energiamuotoihin, siten että tietty reseptori reagoi tiettyyn energiamuotoon eli tietyntyyppiseen ärsykkeeseen.[1] Esimerkiksi näköaistin reseptorit reagoivat sähkömagneettiseen energiaan eli valoon ja kuuloaistin reseptorit paineen muutoksiin.[2] Tuntoaistinsolujen reseptoreita on useita erilaisia ja ne reagoivat muun muassa paineen muutoksiin ja sen lisäksi lämpötilaan. Haju- ja makuaistinsolut reagoivat molekyyleihin eli niiden reseptorit ovat kemiallisia reseptoreita. Havaintojen erilaisuus johtuu siis aistinsolujen reseptoreiden kyvystä reagoida eri ärsykkeisiin.
Reseptoreista lähtee niiden stimuloituessa impulssi talamuksen kautta aivokuorelle. Hajuaistimukset ovat ainoita aistimuksia, joiden impulssit menevät suoraan aivokuorelle, eivätkä kulje talamuksen kautta. Tuntoaistinsoluista osa impulsseista menee selkäytimeen ja osa ydinjatkeeseen. Nämä impulssit toimivat refleksien käynnistäjinä ja ovat mukana esimerkiksi liikerefleksien luomisessa sekä sydämen lyöntitiheyden muuttamisessa. Eri aistien reseptoreista lähteneet impulssit menevät aivokuoren eri osa-alueille, esimerkiksi impulssi silmän reseptoreista menee näköaivokuorelle. Aivokuorelle saapunut impulssi sitten tiedostetaan havaintona.
Haju- ja makuaistin impulssit leviävät myös limbiseen järjestelmään, minkä vuoksi hajut ja maut saattavat herättää tunnevasteita ja muistoja.
Esimerkki: makuaistin toiminta. Kun kemiallinen aine liukenee sylkeen, aine pääsee kosketuksiin kielen nystyissä sijaitsevien reseptoreiden kanssa. Ärsykkeestä transdusoituu aktiopotentiaali, joka kulkee hermosoluja pitkin ydinjatkoksen ja talamuksen kautta aivokuoren makua aistivalle alueelle. [3]

[1] http://www.terveyskirjasto.fi/terveyskirjasto/tk.koti?p_artikkeli=ltt02910
[2] http://fi.wikipedia.org/wiki/Reseptori_%28fysiologia%29
[3] Gerard J. Tortora: Principles of anatomy and physiology

3. Minkälaisiin näköärsykkeiden ominaisuuksiin erikoistuneita alueita aivokuorelta löytyy ja missä ne sijaitsevat? Millaisia yhteyksiä näiden alueiden välillä on ja kuinka ne heijastavat näköinformaation käsittelyn järjestymistä aivoissa? Tukevatko omat kokemuksesi näkökentän eri piirteiden käsittelyn tiukkaa eriyttämistä?

Aivokuorella on useita eri alueita, jotka liittyvät tiettyjen näköärsykkeiden prosessointiin. Näköärsyke kulkee silmän verkkokalvolta gangliosolujen aksonien muodostamaa näköhermoa pitkin väliaivoihin talamuksen ulompaan polvitumakkeeseen. Ulommasta polvitumakkeesta lähtevät näköhermosyyt hajaantuvat ja välittävät näköaistimuksesta kartan takaraivolohkoon primaariselle näköaivokuorelle (V1). Näkökentän vasemman puolen signaalit päätyvät oikeaan aivolohkoon ja päinvastoin, ja lisäksi lähekkäisiltä verkkokalvon eli retinan alueilta tulleet signaalit päätyvät näköaivokuorella vierekkäisiin neuroneihin, jolloin muodostuu ns. retinotooppinen kartta. Primaarisella näköaivokuorella on tärkeä rooli havaintokohteen liikkeen sekä kuvioiden tunnistamisessa. [1, 2]

Primaariselta näköaivokuorelta lähtee yhteyksiä näköalueelle V2. Nämä yhteydet jaetaan kahteen pääreittiin, dorsaaliseen ja ventraaliseen rataan. V2:lta on edelleen vahvoja yhteyksiä muille näköalueille (V3-V5) sekä myös takaisin V1:lle. Toiminnallisesti V2:lla on monia samoja ominaisuuksia kuin primaarisella näköaivokuorella. V2:n edessä sijaitsee hiukan epätarkasti rajattu kolmas näköalue (V3), johon tulevista yhteyksistä suurinta osaa pidetään dorsaalirataan kuuluvina. [2]

Ventraalinen rata kulkee primaariselta näköaivokuorelta V2:n kautta näköalueelle V4, jolla on tosin suoria yhteyksiä myös V1:een ja V3:een. V4 vaikuttaa olevan tärkeä sekä muotojen että värien tunnistuksessa, joskaan se ei kykene käsittelemään kasvojen kaltaisia hyvin monikutkaisia muotoja. Kasvojen tunnistukseen ja muuhun näkömuistin toimintaan liittyy alaohimolohkon (inferior temporal lobe) alue, joka tunnetaan IT-alueena. V4:lta on tälle alueelle useita ventraalisia yhteyksiä. Kokonaisuutena ventraaliradan alueet ovat erikoistuneet muotojen tunnistamiseen ja oppimiseen, kun taas dorsaalinen rata keskittyy liikkeen tunnistamiseen ja hahmottamiseen. [2, 3]

Dorsaalinen rata kulkee V1:ltä V2:n ja osin V3:n kautta ohimolohkossa sijaitsevalle näköalueelle V5, joka tunnetaan myös MT-alueena (middle temporal lobe). Suuri osa informaatiosta tulee V5:lle myös suoraan primaariselta näköaivokuorelta. Monet V5:n solut ovat spesifisiä liikkeelle, ja tällä alueella onkin keskeinen merkitys liikkeen havaitsemisessa. [2, 3]

Omien jokapäiväisessä elämässä tehtyjen havaintojen ja kokemusten perusteella näkökentän erilaisten piirteiden eriytynyt käsittely aivoissa ei vaikuta mitenkään itsestään selvältä. Tarkemmin ajateltuna lienee kuitenkin loogista, että juurikin liikettä käsitellään erillään muodoista ja väreistä. Ymmärrettävää on näin ollen myös se, että näköaistiärsykkeidenkin prosessointiin tarvitaan hyvin monia eri alueita.

[1] Tfy-99.2710 opetusmoniste 2012, s. 54-64
[2] http://en.wikipedia.org/wiki/Visual_cortex
[3] Bear et al. Neuroscience – Exploring the Brain. Lippincott Williams & Wilkins. 2007. Chapter 10.