Viikkotehtävä 5: Aivoista

Tehtävä 1

Monet arkisetkin tehtävät on jaettu eri aivoalueiden kesken. Tällöin niiden välisten yhteyksien häiriintyminen saattaa johtaa helpohkosti tunnistettaviin käyttäytymisen ongelmiin. Nykyisin ajatellaan monienkin aivosairauksien johtuvan ainakin osittain ongelmista erilaisissa hermostollisissa yhteyksissä. 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. (kuva: Catani & ffytche, Brain 2005)

Assosiatiivinen afasia (engl. conduction aphasia)

Henkilö pystyy puhumaan normaalisti, mutta ei pysty toistamaan kuulemaansa puhetta. Sairauden aiheuttaa arcuate fasciculus -nimisen hermoradan vahingoittuminen. Tämä hermorata yhdistää Wernicken alueen (puheen ymmärtäminen) ja Brocan alueen (puheen tuottaminen).

Visuaalinen agnosia (engl. visual agnosia)

Henkilö ei pysty tunnistamaan tai ymmärtämään näköaistimusta. Sairauden aiheuttaa näköaivokuoren assosiaatioalueilla oleva vaurio. Agnosian tyyppi riippuu vaurion sijainnista. Esimerkiksi kasvoja tunnistavan alueen vaurio estää kasvojen tunnistamisen.

Apraksia (engl. apraxia)

Henkilö ei pysty suorittamaan liiketoimintoja, vaikka hänellä ei ole motorisia ongelmia jotka estäisivät kyseiset liikkeet. Sairaus aiheutuu yleensä vauriosta vasemman aivopuoliskon otsalohkossa tai päälaenlohkossa. Myös muissa paikoissa sijaitsevat vauriot voivat aiheuttaa apraksiaa.

Puhdas aleksia (engl. pure alexia, alexia without dysgraphia)

Henkilöllä on huomattavia lukemisongelmia, mutta muut kielelliset kyvyt, kuten kirjoittaminen, toimivat normaalisti.  Sairauden aiheuttaa aivokurkiaisen splenium-hermoradan ja vasemman näköaivokuoren vaurio. Oikeanpuoleinen näköaivokuori toimii normaalisti, mutta sillä ei ole yhteyttä vasemmalle puolelle, jossa Brocan ja Wernicken alueet tyypillisesti sijaitsevat.

Tehtävä 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?

Vastaus

Small–world-verkolle ominaisia piirteitä ovat: lyhyt keskimääräinen etäisyys kahden solmun välillä, L = <Δx> ∝ ln(N), missä  N on verkon koko solmuina ja L on keskimääräinen etäisyys solmujen välillä; ja korkea klusteroitumisaste, C = (suljettujen triplettien määrä) / (kaikkien triplettien määrä). Wikipedia on melko hyvä esimerkki small–world-verkosta: Wikipedian keskimääräinen pienin etäisyys oli vain 4,9 linkkiä (kun artikkeleita oli 400 tuhatta) ja klusteroitumisaste oli noin viisinkertainen vastaavan kokoiseen (solmut 400k linkit 8M) satunnaiseen verkostoon verrattuna. ( http://impact.asu.edu/cse591sp07/wikipedia.pdf ) Kuitenkin, jos ollaan aivan tarkkoja, ei wikipedia ole small–world-verkko, vaan ennemmin ultra–small–world-verkko – sillä keskimääräistä pienintä etäisyyttä lyhentää (nykyisin huomattavasti aiempaa enemmän) huomattavan korkea hub-solmujen määrä. Vertailun vuoksi Wikipedian keskimääräinen lyhin polku oli vain 4,6 linkkiä kun solmujen määrä oli 2,3M ja linkkien määrä 55M.  ( http://mu.netsoc.ie/wiki/ ) Eli keskimääräinen lyhin pituus ei näytä kasvavan solmujen määrän mukana.

Tämä verkostorakenteen etuna on se, että verkostossa tarvitaan vain verrattain vähän linkkejä pieneen keskimääräiseen minimietäisyyteen. Tämä tekee verkon rakentamisesta edullisempaa, kuin jos siitä pitäisi tehdä tiheä. Toisaalta tämä mahdollistaa solmujen tiiviimmän pakkauksen, eli siis samaan tilavuuteen saa enemmän hermosoluja vähemmällä vaivalla. Toisaalta rakenne on myäs verrattain robusti, yksittäisen solmun poistaminen ei tyypillisesti muuta muiden solmujen keskimääräistä pienintä etäisyyttä paljoa – koska suurin osa kunkin solmun kytkennöistä on paikallisia – ei globaaleita. Verkoston etuna on myös se, että se on luontevaa muodostaa vaiheittain, klikki kerrallaan.