Viides viikkotehtävä

1. Oheisessa kuvassa on esitetty neljä ns. klassista johtumisperäistä sairautta (dysconnection syndromes). Selvittäkää kuinka nämä ongelmat ilmenevät, mikä rakenteellinen yhteys (minkälaisten toiminnallisten alueiden välillä) häiriintyy, ja kuinka yhteyden vaurioituminen johtaa kuvattuun toiminnan häiriöön.

Conduction aphasia. Fasciculus arcuatis nimisen hermoradan toimintahäiriön seurauksena Wernicken alue, joka on vastuussa kuultun puheen ymmärtämisestä, ei ole yhteydessä Brocan alueseen. Näin ollen Brocan alue, joka on vastuussa puheen tuotosta, ei saa tärkeätä infromaatiota Wernicken alueesta ja näin kuultujen tai luettujen sanojen toistamiessa esiintyy ongelmia. Tämä ilmenee siten, että itse puheen ymmärtämisessä ei esiinny ongelmia, mutta taas puheen toistaminen on vaivalloista ja siinä esintyy myös virheitä.

Visual agnosia. Ohimolohkon ja takaraivolohkon välisissä hermoradoissa on toimintahäiriöitä (mahdollisesti vahingoittuneet). Takaraivolohkossa käsitellään näköinformaatiota ja ohimolohko rinnastaa mahdollisen näköinformaation aikaisempiin kokemuksiin. Tästä johtuu, ettei pysty “tunnistamaan” kohdettta vaikka kohteen ominaisuuksien luetteleminen onnistuu. Tässä siis kohde ei pystytä rinnastamaan mahdollisesti aikaisemmin koettuun kohteeseen ja täten kohdetta ei pystytä nimetä (Brocan alue).

Apraxia. Mitä todennäköisemmin otsalohkon ja vasemman päälakilohkon välisen hermoratojen toimitahäiriöiden seurauksena. Myös fyysiset vauriot muualla aivoissa voivat johtaa apraxiaan. Tästä johtuen ei pysty suorittamaan tarkkoja motorisia liikkeitä (tahdonalaisia liikkeitä) vaikka pystyisi fyysisesti suoriutumaan tehtävästä.

Pure alexia. Aivoinfraktin seurauksena vasemmanpuoleinen näköaivokuori vahingoittuu sekä myös yhteydet Brocan ja Wernicken alueisiin. Tämän seurauksena vain oikea näköaivokuori käsittelee informaatiota. Tästä johtuen kirjoitetun tekstin ymmärtäminen ei onnistu vaikka kirjoittaminen ja puhuminen onnistuu.

2. Monien luonnollisten ja myös keinotekoisten systeemien on havaittu noudattavan ns. small-world verkostorakennetta. Mitkä ovat tällaisen verkoston tunnusmerkit? Mitä hyötyä aivoille voisi olla sellaisesta rakenteesta?

Kyseessä on matemaattinen malli, jossa jokainen piste on yhteydessä vain muutamaan pisteeseen, mutta silti pystytään siirtymään pisteestä toiseen lyhyesti ja nopeasti. Tästä päästään nykymuotoiseen esitysmalliin ns. “six degree of separation”. Ideana on se, että jokainen ihminen maailmassa on yhteydessä toiseen ihmiseen yhteensä kuuden ihmisen välityksellä.

Tämä on todella edullinen toimintamalli kun tilaa on rajoitetusti (esim. aivot). Saadaan hermosoluja enemmän pienempään tilaan, mutta samalla säilytetään informaation nopea kulkeutuminen solusta toiseen, eikä solujen vahingoittuminen tai puute hidasta tai estä infromaation kulkua juuri lainkaan.

http://www-bmu.psychiatry.cam.ac.uk/publications/bassett06sma.pdf

2. Monien luonnollisten ja myös keinotekoisten systeemien on havaittu noudattavan ns. small-world verkostorakennetta. Mitkä ovat tällaisen verkoston tunnusmerkit? Mitä hyötyä aivoille voisi olla sellaisesta rakenteesta?

Small world -verkossa solmut ovat toisistaan mahdollisimman pienen matkan päässä, vaikka eivät olisikaan naapureita. Tarkemmin sanottuna kahden sattumanvaraisen valitun solmun etäisyys toisiinsa (mitattuna hyppäyksinä, eikä siis fyysisenä välimatkana) on verrannollinen solmujen lukumäärän logaritmiin. Suurissakaan verkoissa mikään solmu ei siis ole kovinkaan monen hypyn etäisyydellä toisesta, mikä varmasti aivojen tapauksessa tehostaa tiedonkäsittelyä.

Kuten olemme oppineet, aivojen prosessointi on huomattavan paljon rinnakkaista. Aistien kautta kertyvää informaatiota tulee yksinkertaisesti niin paljon, ettei muunlainen prosessointi olisi mahdollistakaan etenkään kun ottaa huomioon biologisten järjestelmien viiveet. Rinnakkainen prosessointi itsessään ei vielä välttämättä vaatisi kovin suurta yhteistyötä eri prosessien välillä, mutta kuten tiedämme ihmisaivoissa kaikki on hyvin vahvasti toisiinsa linkittynyttä. Tämä taas johtunee siitä, että valtaisasta tietomäärästä on järkevää ja tarpeellista keskittyä vain osaan. Yhdistämällä eri aistien ja rinnakkaisten prosessien tuottamaa tietoa voidaan luoda meille tuttu, kokonainen maailmankuva jossa kaikki aistit yhdistyvät ja joka on samanaikaisesti tavattoman huono “valokuva” ympäröivästä maailmasta ja erittäin tehokas työkalu ihmislajin selviytymiseen ja kehittymiseen. Tämä vaatii sen, että eri rinnakkaisten prosesstien käsittelemä tieto voi vaikuttaa mahdollisimman helposti ja nopeasti toisiinsa. Small world -tyyppinen verkko mahdollistaa siis aivojen eri osien erikoistumisen ja samanaikaisen toiminnan.

Toisaalta verkkorakenne mahdollistaa aivojen fyysisen koon ja rakenteen. Jos tärkeät yhteydet pitäis luoda erikseen eri hermosolujenvälillä, yhteyksiä tarvittaisiin enemmän ja hermosolujen määrä tilavuusyksikköä kohden olisi pienempi. Sama rakenne vaikuttaa varmasti myös aivojen plastisuuteen ja robustiouteen. Todennäköisesti yksittäisen solmun tuhoutuminen small world -verkossa ei vielä vaikuta paljoakaan koko verkon toimintaan, koska korvaava reitti on vain hieman pidempi ja toisaalta solmuilla on lyhyt reitti vaikuttaa lähes mihin tahansa. Plastisuuteen rakenne vaikuttanee siten, että uusien yhteyksien vahvistumisen kuvittelisi olevan helpompaa kun niiden välillä on vain muutama solmu, eikä tarvita uusien yhteyksien rakentamista.

http://en.wikipedia.org/wiki/Small-world_network