Liikumist kontrolliv ajuosa juhib ka tundeid | Ajakiri Quanta

Viimastel aastakümnetel on neuroteadus näinud hämmastavaid edusamme, kuid aju kriitiline osa on endiselt saladus. Pean silmas väikeaju, mis on nii nime saanud ladina keelest "väike aju", mis asub nagu kukk aju tagaosas. See pole väike möödalask: väikeajus on kolm neljandikku kõigist aju neuronitest, mis on korraldatud peaaegu kristalses paigutuses, erinevalt mujalt leitud neuronite sassis.

Entsüklopeedia artiklid ja õpikud rõhutavad tõsiasja, et väikeaju ülesanne on kontrollida keha liikumist. Pole kahtlust, et väikeaju täidab seda funktsiooni. Kuid teadlased kahtlustavad nüüd, et see pikaajaline vaade on lühinägelik.

Vähemalt nii õppisin ma novembris Washingtonis, DC-s osaledes Ühiskond Neuroteaduse aastakoosolekul, maailma suurim neuroteadlaste kohtumine. Seal organiseeris neuroteadlaste paar a sümpoosion äsja avastatud väikeaju funktsioonide kohta, mis ei ole seotud motoorse juhtimisega. Uued eksperimentaalsed tehnikad näitavad, et lisaks liikumise kontrollimisele reguleerib väikeaju ka keerulisi käitumisviise, sotsiaalset suhtlust, agressiooni, töömälu, õppimist, emotsioone ja palju muud.

Mõra domineerivas tarkuses

Väikeaju seos liikumisega on teada juba 19. sajandist. Patsientidel, kes kannatasid ajupiirkonna trauma all, oli ilmselgeid raskusi tasakaalu ja liikumisega, mis ei jätnud kahtlust, et see on liikumise koordineerimisel kriitilise tähtsusega. Aastakümnete jooksul on neuroteadlased arendanud üksikasjalikku arusaama sellest, kuidas väikeaju ainulaadne närviskeem kontrollib motoorset funktsiooni. Seletus, kuidas väikeaju töötas, tundus vettpidav.

Seejärel, 1998. aastal, ajakirjas Aju, teatasid neuroloogid laiaulatuslikud emotsionaalsed ja kognitiivsed häired väikeaju kahjustusega patsientidel. Näiteks 1991. aastal oli 22-aastane naisülikooli üliõpilane uisutades kukkunud; CT-skaneerimisel tuvastati tema väikeajus kasvaja. Pärast selle kirurgilist eemaldamist oli ta täiesti erinev inimene. Särav kolledžiõpilane oli kaotanud oskuse oskuslikult kirjutada, peast arvutada, tavalisi objekte nimetada või lihtsat diagrammi kopeerida. Tema tuju muutus tasaseks. Ta peitis end teki alla ja käitus ebaadekvaatselt, riietus koridorides lahti ja rääkis beebijuttu. Samuti oli häiritud tema sotsiaalne suhtlus, sealhulgas tuttavate nägude äratundmine.

See ja sarnased juhtumid tekitasid autorites hämmingut. Need kõrgetasemelised kognitiivsed ja emotsionaalsed funktsioonid paiknevad ajukoores ja limbilises süsteemis. "Mis see väikeaju roll täpselt on ja kuidas väikeaju seda täidab, pole veel kindlaks tehtud," järeldasid nad.

Hoolimata nendest kliinilistest uuringutest saadud vihjetest, et tavapärane tarkus oli valel teel, kinnitasid juhtivad võimud siiski, et väikeaju ülesanne on kontrollida liikumist ja mitte midagi enamat. "See on omamoodi kurb, sest [nendest juhtumitest teatamisest] on möödunud 20 aastat," ütles Diasynou Fioravante, California ülikooli Davise neurofüsioloog, kes oli konverentsi sümpoosioni kaaskorraldaja.

Teised neuroloogid on oma patsientidel neuropsühhiaatrilisi puudujääke kogu aeg märganud, ütles neuroteadlane Stephanie Rudolph Albert Einsteini meditsiinikolledžist, kes korraldas sümpoosioni koos Fioravantega. Siiski ei olnud kindlaid anatoomilisi tõendeid selle kohta, kuidas väikeaju ainulaadne närviskeem võiks reguleerida teatatud psühholoogilisi ja emotsionaalseid funktsioone, mistõttu kliinilised aruanded jäeti tähelepanuta.

Nüüd tõestab väikeaju vooluringide parem mõistmine, et need juhtumiuuringud on õiged ja domineeriv tarkus vale.

Täppisjuhtmestik

. juhtmestiku muster väikeajus on täpselt organiseeritud ja tihendatud, et koondada kolmveerand aju neuronitest 4-tolliseks lobaks. Väikeaju neuronite peamine tüüp, mida nimetatakse Purkinje rakuks, on laialt hargnev nagu lehvikkorall, kuid samas lame ja peaaegu kahemõõtmeline. Ventilaatori labad on neuroni dendriidid, mis võtavad vastu sissetulevaid signaale. Need lamedad neuronid on paigutatud paralleelselt, justkui oleksid miljonid lehvikkorallid tihedas kimpus üksteise otsa virnastatud. Tuhanded pisikesed neuronid juhivad aksoneid – aju elektriimpulsside ülekandekaableid – risti läbi dendriitide virna, nagu niidid kangasteljes. Iga akson ühendub kümnete tuhandete Purkinje rakkude dendriitidega.

Selline ühenduvuse tase annab väikeaju 50 miljardile neuronile hämmastava integratsioonivõime. See väikeajule ainulaadne vooluring suudab keha liikumise reguleerimiseks purustada tohutul hulgal meeltelt sissetulevaid andmeid. Üle lava hüppava baleriini voolav liikumine nõuab, et väikeaju töötleks kiiresti kõigist meeltest pärinevat teavet, jälgides samal ajal jäsemete muutuvaid positsioone, säilitades tasakaalu ja kaardistades ruumi, mille kaudu keha liigub. Väikeaju kasutab seda dünaamilist teavet, et juhtida lihaseid täpse ajastusega ja teha seda õiges sotsiaalses kontekstis, mida juhivad emotsioonid ja motivatsioon.

Fioravante ja Rudolph ütlesid mulle, et neuroteadlased mõistavad nüüd, et väikeaju võimas närviahel, mis ühendab teavet keha liikumiseks, annab selle ka keerukate vaimsete protsesside ja käitumisega toimetulemiseks.

"Näiteks praegu," selgitas Rudolph, kui me enne sümpoosioni algust rääkisime, "te esitate küsimusi ja meie anname vastused. See on keeruline käitumine." Ta pidi mu kõnest aru saama, sõnastama vastuse ja seejärel kasutama lihaseid sõnade loomiseks. Ta pidi ka minu kehakeelt ja muid peeneid signaale vastu võtma. "Teie näiteks noogutate praegu, nii et sellest võin järeldada, et kuulate ja olete huvitatud," ütles ta.

Ma polnud varem kõneks vajaliku motoorse juhtimise keerukust täielikult hinnanud. Füüsilisus ei hõlma mitte ainult keele ja huulte keerulist võimlemist – nii heli tekitamiseks kui ka helikõrguse ja helitugevuse reguleerimiseks – vaid ka žestikulatsiooni. Meie sõnad on ajastatud nii, et me ei räägiks teisest inimesest üle ja need on reguleeritud sotsiaalse konteksti järgi: need on täis õiget emotsiooni ning neid juhivad motivatsioon, mõtted, ootused ja meeleolu.

Nende erinevate funktsioonide koordineerimine nõuab peaaegu kõike, mida aju teeb – alates südame löögisageduse ja vererõhu reguleerimisest, mida teostatakse sügavates ajupiirkondades, kuni sensoorse ja emotsionaalse teabe töötlemiseni, mida teostab limbilise süsteem. See nõuab ka kaasamist kõrgeima taseme kognitiivsete funktsioonidega, nagu mõistmine, inhibeerimine ja otsuste tegemine prefrontaalses ajukoores.

Selleks, et väikeaju seda teha, peavad sellel olema ühendused, mis hõlmavad kogu aju. Seni puudusid selle kohta tõendid, kuid uued tehnikad avastavad neid teid.

Sensoorse sisendi keskus

Vaid aastakümneid tagasi, kui neuroanatoomid aju kaardistasid, ei suutnud nad leida mingeid otseseid seoseid väikeajust emotsioone ja tunnetust kontrollivate ajupiirkondadega, nagu limbilise süsteemi ja prefrontaalse ajukoorega. See pani nad uskuma, et väikeaju oli mõnevõrra isoleeritud ja ei osalenud nendes kõrgemates kognitiivsetes funktsioonides. Kuid nii nagu bandiidid võivad sõidukeid vahetades jälitajast kõrvale hiilida, võivad närvisignaalid hüpata ühelt neuronilt teisele. See salajane tegevus paiskas neuroanatoomid väikeaju rajalt kõrvale.

Uued meetodid on võimaldanud neuroanatoomidel jälgida neid teid väikeajust üle releepunktide, järgides neid kogu ajus. Teadlased võivad näiteks istutada neuronitesse marutaudiviirusi, et näha täpselt, milliste teiste neuronitega nad kokku puutuvad. Nad on geneetiliselt muundatud fluorestseeruvad valgud, mis hakkavad vilkuma, kui närviimpulss vallandub, et nad saaksid näha liiklusvoogu närviahelates. Samuti saavad nad jälgida neuroniliiklusest maha jäänud jalajälgi: neuroni süttimisel tekkivate valkude ilmumine võib aidata tuvastada kõiki neuronivõrgus suhtlevaid rakke konkreetse käitumise korral.

Sümpoosionil jagasid teadlased nende uute meetodite abil paljastatud põnevaid uusi leide, mis näitavad nende arenevat arusaama väikeajust.

Jessica Verpeut Arizona osariigi ülikooli teadlane teatas andmetest, mis kirjeldavad keerulist ja ulatuslikku väikeajuühenduste võrgustikku, mis aktiveeruvad kogu ajus hiirtel, kui nad suhtlevad või õpivad labürindis läbi rääkima.

Rudolph jagas katseid, mis näitasid, et emasloomade käitumist, mida uuriti oma poegade eest hoolitsevatel emastel hiirtel, mõjutasid väikeajule mõjuvad hormoonid, eriti hormoon oksütotsiin, mis soodustab emade sidemeid. Kui see mehhanism katseliselt häiriti, ei hoolinud ema enam oma poegade eest.

Yi-Mei Yang Minnesota ülikooli teadlane näitas, et kui ta häiris teatud väikeaju neuroneid, kaotasid hiired huvi puuri sattunud võõraste hiirtega suhtlemise vastu. Siiski ei olnud neil raskusi uudsete elutute objektidega suhtlemisel ja meelespidamisel. See viitas keerulise sotsiaalse äratundmise mälu puudujäägile, mis sarnaneb autistlike inimeste kogemusega.

Tegelikult on väikeaju autistidel sageli väiksem ja Aleksandra Badura Rotterdami Erasmuse ülikooli meditsiinikeskusest esitati uusi andmeid, mis viitavad sellele, et väikeaju on seotud autismiga, kuna see on sensoorse sisendi keskus, eriti sotsiaalse kontekstiga seotud signaalide puhul.

See uus uuring ulatub kaugemale hiireuuringutest. Andreas Thieme Esseni ülikoolihaiglast Saksamaalt tutvustas uut kliinilist testi, mida kasutatakse väikeajukahjustusest põhjustatud emotsionaalsete ja kognitiivsete häirete täpseks diagnoosimiseks.

Need uued murrangulised uuringud näitavad, et lisaks liikumise kontrollile reguleerib väikeaju keerulist sotsiaalset ja emotsionaalset käitumist. Selle globaalse mõju saavutamiseks peab väikeaju olema kogu ajus läbivate ühendustega andmehõivekeskus. Pole ime, et sellel on nii palju neuroneid. Selle kõrgetasemelise käsu ja juhtimise iseseisvaks täitmiseks peab see tegelikult olema väike aju.