Luento 5: Aisteja, liikkeitä ja aivokuvantamista

Kurssin viidennellä luennolla käsiteltiin eri aistien ja motoristen järjestelmien toimintaa. Tätä tarkoitusta varten aivojen toimintaa verrattiin tietojenkäsittelystä tuttuun mustaan laatikkoon. Aivot saavat sisäänsä syötettä aisteilta (input), käsittelevät tämän syötteen (temput), ja tämän jälkeen ohjaavat kehon toimintaa (output). Keskimmäistä näistä voidaan tarkastella havainnoimalla vastetta erilaisiin aistiärsykkeisiin. Näiden lisäksi tarkasteltiin aivojen tilaa ja erilaisia aivokuvantamismenetelmiä. Pääosa ajasta käytettiin kuulo- ja näköaistien toiminnan tarkempaan kuvailemiseen.

Moni luennolla kuultu asia oli entuudestaan tuttua lukion biologiasta, mutta luennon esitys oli selvästi eri näkökulmasta, kuin mitä näissä yhteyksissä on tullut esille. Turhan kertaamisen välttämiseksi tämä blogimerkintä olettaakin lukijaltaan ihmisen anatomian perusteiden tuntemista.

Kuuloaisti

Kuuloaisti on tärkeä aisti ihmiselle. Ihmisen kuulo on erittäin herkkä: terve ihminen aistii noin 20 mikropascalin paine-eroja “puhetaajuuksilla”. Luennolla tämä ilmaistiin jostain syystä paikkatasossa. Erotuskyvyksi kerrottiin noin 0,1 ångströmin suuruinen tärykalvon liike eli reilusti alle yhden atomin säteen suuruinen muutos kalvon sijainnissa.

Äänilähteen paikan määrittäminen kuuloaistin avulla (suuntakuulo) vaatii suuren aikaresoluution eri korvista mitatun signaalin aikaeron määrityksessä. Luennolta opimme, että tämä aikaresoluutio on mikrosekuntien luokkaa. Tässä ajassa ääniaalto liikkuu alle millimetrin. Nämä huomioiden, on yllättävää että kuulohermo, korvan ja aivorungon välinen datalinkki, koostuu vain noin 30000 aksonista.

Tämän mahdollistaa se, että jo korvassa tapahtuu kuuloaistimuksen prosessointia ja pakkausta: Korvan simpukka on periaatteessa analoginen Fourier-muunnin paikkatasosta taajuustasoon. Lisäksi pakkauksesta esimerkkinä on se, että korvan simpukan taajuusvaste on laakea, mutta kuulohermon jyrkkä.

Näköaisti

Joidenkin eläinten silmät voivat havaita jopa yksittäisiä fotoneja, mitä on tutkittu esimerkiksi sammakoilla. Koska satunnainen lämpöliike lähes samaa suuruusluokkaa, kuin yksittäisen fotonin energia, sammakko näkee paremmin kylmässä kuin lämpimässä, koska sen verkkokalvon lämpötila muuttuu ympäristön lämpötilan mukana. Vastaavasti ihmisen silmä on hieman sammakon silmää epäherkempi, koska ihmisen ruumiinlämpö on korkeampi.

Ihmissilmässä on erittäin paljon valoreseptoreita, noin sata miljoonaa kirkkautta aistivaa sauvasolua ja noin kuusi miljoonaa värejä aistivaa tappisolua (joista valtaosa punaiselle tai vihreälle herkkää tyyppiä, ja vain muutama prosentti siniselle herkkää tyyppiä). Näköhermo koostuu kuitenkin vain noin miljoonasta aksonista; joten silmässä täytyy tehdä huomattavan rankkaa kuvanpakkausta. Tämä tapahtuu ryhmittelemällä solut erilaisiin muotoa havaitseviin ryhmiin (gangliosolujen reseptiiviset kentät), mikä vastaa melko pitkälti kuvan- ja videonpakkauksessa käytettyä diskreettiä kosinimuunnosta (muunnosta paikkatasosta paikkataajuustasoon). Tämän lisäksi kuvadataa pakataan muun muassa siten, että väri-informaatiota päivitetään selvästi harvemmin kuin mustavalkoista muotoinformaatiota. Sekä kuulo- että näköaistin adaptaatiokyky syöteen intensiteettiin on noin 5–6 kertaluokkaa.
Näköaivokuorella on spesifiin vasteeseen, kuten esimerkiksi tietyssä asennossa oleviin palkkeihin reagoivia näkösoluja. Vastaavanlaisia suuntaherkkiä soluja on myös tuntoaivokuorella.  Apinan aivoissa on soluja, jotka aktivoituvat kun näkökentässä on kasvot.
Näköhavaintojen eri osa-alueet, kuten väri, paikka, suunta ja liike kulkevat eri reittiä aivoissa. Näitä kutsutaan näkötietovirroiksi ja niistä voidaan menetää yksittäisiä sopivasti osuneissa aivoinfarkteissa.

Eri värisävyt muodostetaan aivoissa vertaamalla niitä ympäristön väreihin. Väri nähdään samanlaisena esimerkiksi himmeässä tai värillisessä valossa, koska myös silmän ympäröivistä väreistä havaitsemat aallonpituudet muuttuvat vastaavalla tavalla. Jos silmä havaitsee samanlaisen aallonpituuden alueesta, jossa ympäröivät värit ovat kirkkaita ja alueesta, jossa ympäröivät värit ovat tummia, tummien värien ympäröimä väri nähdään kirkkaampana, koska sen oletetaan olevan varjossa.

Liikeaivokuori

Lihasten liikkeet perustuvat motorisiin yksiköihin. Motorinen yksikkö on yhden alfa-motoneuronin hermottama yksikkö. Sormessa tähän kuuluu vain muutama lihassäie, suurissa lihaksissa tuhansia. Lihasten liikkeitä ohjaa liikeaivokuori. Hienosäätöä vaativilla lihasryhmillä, kuten kasvot ja kädet, on paljon tilaa aivokuorella. Liikeaivokuoren ulkopuolella on liikesarjageneraattoreita, joita käytetään esimerkiksi kävelyssä ja hengityksessä. Reflekseissä selkäydin käskee lihaksia ennen kuin tieto refleksin aiheuttajasta (esimerkiksi kipu) ehtii välittyä aivoihin. Pikkuaivot säätelevät liikeitä ja vaikuttavat niiden koordinointiin ja ajoitukseen.

Aivotila ja kuvantamismenetelmät

Aivotila tarkoittaa sitä tilaa, missä aivot ovat tarkasteltavana ajanhetkenä. Aivotila on vaikea määrittää aivojen monimutkaisuuden takia. Se voi tarkoittaa esimerkiksi aivosolujen konfiguraatiota, verenkierron tilaa tai aivojen sähköisiä tiloja. Näitä osatiloja voidaan tutkia erilaisilla kuvantamismenetelmillä. Luennolla esiteltiin erityisesti MEG, joka mittaa neuronien sähkövirtojen aikaansaamia magneettikenttiä ja TMS, joka stimuloi aivoja muuttamalla ulkoista magneettikenttää.

Koska todellisuudessa voidaan tutkia vain erilaisia osatiloja, “aivotila” tuntuu turhalta yläkäsitteeltä. Olisi järkevämpää puhua esimerkiksi aivojen magneettisesta tilasta tai aivojen verenkierrollisesta tilasta, jotka ovat selvästi eri asioita, sen sijaan että ne pyritään laittamaan saman “aivotila”-käsitteen alle. Jos aivojen atomit ja niiden tilat tunnettaisiin tarkasti, tiedettäisiin myös muut osatilat, mutta esimerkiksi magneettisen tilan perusteella ei voi määrittää verenkierrollista tilaa.