Esileht > aju ja teadvus, ajuteadus > Aju mõistatuste jälil: elektriväljade mõju neuronivõrgustikele

Aju mõistatuste jälil: elektriväljade mõju neuronivõrgustikele

Teaduse kohta kõrvaltvaatajana lugedes jääb vahel mulje, justkui seisneks teadus ainult suurte avastuste tegemises ja avaldamises. Tegelikult seisneb teadustöö pikas pusimises katsetega, millest suurest osast inimesed väljaspool teadust kunagi teada ei saa ja millest osa ei kasuta oma tööde ja mõttekäikude jaoks isegi ükski teine teadlane. Seega on mõistetav, et kui iga nädal ilmub uus hunnik eksperimentaalseid töid, mida ma alati huviga läbi vaatan, siis tihtipeale ei leia sellest portsust midagi, mis minu jaoks tõeliselt vinge või äge oleks – enamus töid lisavad pisikesi teadmiseniite juba kogunenud teadmisterägastikku. Seda enam võib rõõmustada, kui vahel satub kätte mõni selline töö, mille lugemine südame kiiremini põksuma paneb ja millest läbinärimine hästi meelde tuletab, miks mulle ajuteadus meeldib ja miks ajuteadus minu jaoks nii põnev on. Just selline oli eelmisel nädalal ajakirjas Neuron ilmunud Fröhlichi ja McCormicku artikkel.

Närvirakkude töö tekitab rakuvälises keskkonnas elektrivälja potentsiaali võnkumisi, mida on võimalik mõõta kas ajusiseste või kolbale asetatud elektroodide abil. Tekkinud elektriväljad on tihti rütmilise struktuuriga ja väljendavad nende aluseks olevate neuronipopulatsioonide aktiivsuse perioodilisust. Huvitav küsimus, mida antud töö autorid uurisid, seisnes selles, kas need elektriväljad, mis tekivad neuronipopulatsioonide töö tulemusena, võivad tagasisidestatud kujul (feedback loop) mõjutada vastavate neuronipopulatsioonide tööd. Et seda uurida, läbisid autorid mitu keerukat sammu.

Esiteks asetati elektroodid tuhkru ajju, et iseloomustada sealseid elektrivälju. Narkoosi all oleva elusa tuhkru ajus mõõdeti aeglast võnkumist (alla ühe hertsi). Karakteriseeriti sealse elektrivälja tugevust ja signaali kuju. Nagu mainitud, tekib selline elektriväli neuronite töö tulemusena – ioonid, mis liiguvad läbi närvirakkude membraani, tekitavad potentsiaalimuutusi närvirakkude vahel olevas elektriväljas. Järgnevalt uuritigi, kas selline elektriväli võib omakorda mõjutada üksikneuronite ja neuronipopulatsioonide (neuronivõrgustike) tööd.

Selleks mindi teises sammus natuke teistmoodi katsesüsteemi juurde – nüüd oli võetud tükk tuhkru ajust, mis oli asetatud elektrit juhtiva lahuse sisse. See võimaldas samaaegselt teha mõõtmisi närvirakkudelt ja ise kontrollida neuroneid ümbritsevat elektrivälja. Oluline on ka teada, et selles tükikeses ajust sai endiselt mõõta spontaanset aeglast võnkumist nagu elusa tuhkru puhul, kuid see aeglane võnkumine oli madalama amplituudiga – see omadus võimaldas kasutada väliseid elektrivälju, mille amplituud oli sarnane elusa tuhkru ajust mõõdetule. Järgnevates katsetes rakendatigi sellele ajutükile elektrivälju, mille amplituud oli väike (maksimaalselt 4 mv / mm), kuid mis olid sarnased elusa tuhkru ajust mõõdetutele.

Teises sammus saadud tulemused olid järgmised:
1) Rakendatud elektriväli viis üksikneuronite membraanipotentsiaali tõusuni, kuid see tõus oli väga väike – umbes 0.5-1 mV (võrdluseks: kui neuron laengleb, siis muutub tema membraanipotentsiaal umbes 100 mV). Hoolimata sellest, et efekt oli väike üksikneuronite puhul, tekkis elektrivälja tagajärjel järgnevaid küllaltki hämmastavaid efekte neuronivõrgustike (ca 10 000 – 100 000 üksikneuronit) tasemel:
2) Pidevalt sama amplituudiga väline elektriväli viis selleni, et neuronipopulatsiooni võnkumise sagedus kasvas. Aeglane võnkumine koosneb aktiivsuse faasist ja mitteaktiivsuse faasist ning antud juhul selgus, et elektrivälja tulemusena väheneb aeg, mida neuronipopulatsioonid veedavad mitteaktiivsuse faasis. Seetõttu muutuski aeglase võnkumise rütm kiiremaks. Selle efekti selgituseks pakuti välja, et punktis (1) mainitud väike muutus membraanipotentsiaalis paljude neuronite puhul viib selleni, et aeglases võnkumises olev neuronipopulatsioon läheb varem mitteaktiivsuse faasist üle aktiivsuse faasi. Seega võivad väikesed aga globaalsed muutused üksikneuronite membraanipotentsiaalis viia üldiste muutusteni neuronivõrgustiku tasemel, kuna neuronitevahelised seosed võimendavad selliseid üksikraku tasemel toimuvaid muutuseid.
3) Kui pidevalt sama amplituudiga elektrivälja asemel rakendati elektrivälja, mille amplituud oli siinusekujuline (vahel suurem, vahel väiksem), siis leiti, et neuronipopulatsioonide võnkumine järgneb rakendatud siinusekujulise aktiivsuse sagedusele – kui tõsta (vähendada) selle rakendatud elektrivälja võnkesagedust, tõuseb (väheneb) ka mõõdetud neuronipopulatsiooni võnkesagedus. Seega neuronivõrgustiku käitumine järgib rakendatud elektrivälja käitumist.
4) Muidugi on siinusekujulise amplituudimuutusega elektriväljad ajus pisut kunstlikud. Kui rakendati elektrivälja, mille amplituudimuutuste kuju oli võetud elusa tuhkru ajust mõõdetud signaalist, leiti, et ka see signaal paneb neuronipopulatsiooni võnkuma vastavas väljale omases rütmis. Lisaks leiti ka, et selliste loomuliku kujuga amplituudimuutuste korral piisab palju väiksema tugevusega elektriväljast, et neuronipopulatsiooni aktiivsust mõjutada (lävi 0.25 ja 0.5 mV / mm vahel).

Kolmanda suure sammu käigus juhiti ajutükist saadud elektrivälja mõõtmine otse elektrivälja tekitavatesse elektroodidesse, kus sõltuvalt katsetingimustest elektrivälja abil kas võimendati või vähendati hetkel neuronipopulatsioonis toimuvaid protsesse. Leiti, et kui ajutükis spontaanselt tekkivaid elektrivälju (positiivse tagasisideahela abil) võimendada, siis tekivad aeglase võnkumise aktiivusfaasid regulaarsemalt. Samuti vähenes võnkumisaktiivsuse hajuvus (muutlikus). Seega saab elektrivälja abil võimendada ajus parajasti toimuvaid protsesse. Tehti ka sama manipulatsiooni teisipidi – iga kord kui ajutükis tekkis spontaanse aktiivsuse faas, muutus väline elektriväli nõrgemaks ja iga kord kui ajutükis tekkis spontaanne mitteaktiivsuse faas, muutus väline elektriväli tugevamaks. Leitigi, et et nii aktiivsuse kui ka mitteaktiivsuse faaside hajuvus (muutlikus) suurenes.

Lõppude lõpuks loodi neljandas sammus kogu tulemuste selgitamiseks ka arvutuslik mudel, mille abil simuleeriti katsetingimusi ja tulemusi. Leiti, et väikesed efektid, mis mõõdeti üksikneuronite membraanipotentsiaalide muutusena, võivad tõepoolest ka mudeli kohaselt viia selles teadustöös leitud globaalsete muutusteni neuronivõrgustike tasemel.

Niisiis, mida see töö tähendab? Asjalikult öeldes seisneb põhiline sõnum selles, et neuronipopulatsioonide poolt tekitatud elektriväljad võivad mõjutada neidsamu neuronipopulatsioone tagasisideahela kaudu. Veidi üldistades võib öelda, et tegu on fantastilise näitega sellest, kuidas süsteemi emergentne omadus – neuronivõrgustike poolt tekitatud rütmiline elektriväli – mõjutab süsteemi ennast, mis omakorda mõjutab seda emergentset omadust. Veidi unistades võib öelda, et selles tulemuses võib peituda võti mitmete aju emergentsete omaduste – näiteks teadvuse, mina-tunde, teadvusliku tahte – mõistmiseks.

Tahad lugeda rohkem? Aga palun – see töö on ajakirja Neuron võrguväljaandes tasuta kättesaadav.
Lühikokkuvõte koos autori kirjeldusega on Yale’i Ülikooli pressiteates
Töö põhilised joonised koos selgitava tekstiga on üleval ka autori kodulehel.

Allikas: Fröhlich & McCormick (2010). Endogenous electric fields may guide neocortical network activity. Neuron.

  1. Kristjan
    juuli 25, 2010, 3:25 p.l.

    Ma ei saanud algul täpselt aru, et miks see töö nii tähtis on, sest ei tundu just väga eriline, et neuronid tekitavad elektrivälja ja et elektriväli mõjutab neuroneid. Aga siis lisas Jaan selle minu puuduva idee: see tähendab, et pole alati tähtis, millised neuronid kuidas omavahel anatoomiliselt ühendatud on – kui neuronid on mõjutatud sama elektrivälja poolt, siis võib nende tegevuse ühtlustada ka siis, kui nad omavahel anatoomiliselt seotud pole. Vinge värk🙂

  2. Kristjan
    juuli 25, 2010, 3:32 p.l.

    Blue Brain projekti meestel ka palju uut tööd – lihtsalt ühenduste modelleerimisest enam ei piisa.

  3. jaanaru
    juuli 26, 2010, 12:22 p.l.

    kolleegid MPIst pidasid ka kõik seda tööd oluliseks, just seetõttu, et ta võimaldab neuronitel ja neuronipopulatsioonidel kommunikeeruda teistmoodi kui pelgalt neuronaalsete ühenduste kaudu.
    lisaks sellele näitab see töö ju, et emergentsed (ilmnevad) protsessid võivad omada mõju süsteemile, mis neid tekitab – selle tõsiasja implikatsioonid pole veel kellelegi selged.

  4. anu
    juuli 26, 2010, 1:20 p.l.

    Aga kas siis ei ole põhimõtteliselt võimalik, et teise inimese aju neuronite tekitatud elektriväljad minu aju mõjutavad ja minus samasuguseid protsesse käivitavad? Miks on see küsimus rumal?

  5. Jaan
    juuli 26, 2010, 1:55 p.l.

    see küsimus ei ole rumal, vaid näitab, et Sa suudad hästi kaasa mõelda. Siiski on probleem selles, et ajus tekkivad elektriväljad on nii nõrgad, et nad lihtsalt muutuvad oma lähtekohast (ajust) kaugenedes kiiresti pea olematuks – juba otse koljult mõõtmisi tehes peame me oma elektroodidega vaeva nägema, et nad meile aju elektriväljade kohta mingit mõistlikku signaali annaksid.
    .
    teiselt poolt võiks see tulemus tõepoolest tähendada seda, et kui avada õõvastava eksperimendi käigus kahel inimesel koljud pealaelt, nii et ajukoor on paljastatud ja paigutada kaks lamavat inimest nii, et nende pead (ja seega paljastatud ajukoored!!) puutuvad kokku, siis on täiesti võimalik, et ühe inimese ajus toimuv võib teise omas toimuvat mõjutada … kas tahaksid proovida? kes oleks see teine isik? vabatahtlikke?

  6. Kristjan
    juuli 26, 2010, 1:59 p.l.

    Ma sooviks mõõta või välja arvutada selle teoreetilise välja, mida aju tekitab ja siis sama tugeva väljaga enda aju mõjutada nagu üldiselt ja igalt poolt. Et kui aju kasutab neid välju oma tööks, siis võiks see mu mõtlemist mõjutada. TMS-iga saab nii? Või vaja mingit üldist ja mitte suunatud välja? Või on jama?

  7. jaanaru
    juuli 26, 2010, 2:01 p.l.

    vt seda fantastilist teadustööd – http://www.colorado.edu/MCDB/MCDB3650/marshall2006Sleep.pdf – siin mõjutati aju une ajal elektriväljadega ja näidati, et mõjutamine teatud (madalatel) sagedustel parandab katseisikute tulemusi mäluülesandes!

  8. Kristjan
    juuli 26, 2010, 2:54 p.l.

    jah, äge värk. Aga kas see töö siis ei näita sama moodi, et elektriväli mõjutab neuronite (aju) tööd?

  9. anu
    juuli 26, 2010, 2:59 p.l.

    Looduslikud ja tehnogeensed elektriväljad? Kas mõjutavad? Ma isiklikult EI kuulu nende hulka, kes mobiilimaste ja WiFi saatjaid kardaks.

  10. jaanaru
    juuli 26, 2010, 3:18 p.l.

    Kristjan – näitab, aga muidugi väga üldises ja teistsuguses mõttes. minu poolt blogis tutvustatud töö näitab konkreetset mehhanismi, kuidas see toimub. st tutvustatud töö selgitab neid printsiipe ajus, mis võimaldasid sellel mälukatse elektriväljal vastavat mõju omada.
    .
    Anu – jällegi väga õige ja otseselt tulemustest järelduv küsimus. kahjuks ei oska keegi sellele praegusel hetkel vastata, kuivõrd tehislikud elektriväljad sarnaseid efekte omavad ja kas see ka kahjulik on. eeldan, et see uuring tekitab järgnevate teadustööde laviini, mis antud küsimust uurivad. kui vaatad töö kirjelduse all antud Yale Ülikooli pressiteate viidet, siis just sealgi arutati seda sama küsimust.

  11. Kristjan
    juuli 26, 2010, 4:09 p.l.

    Siiski, kui enne juba oli teada, et see üldine väli mõjutab ajutegevust, siis nüüd lihtsalt täiustati seda täpset mehhanismi. Mitte, et kõik endiselt põnev poleks🙂

  12. Bachmann
    august 1, 2010, 9:46 p.l.

    Pole võimatu, et nö “kaablit pidi levivate” (närvikiu aktsioonipotentsiaalid) ja membraanipotentsiaalidena väljenduvate neuroelektriliste protsesside ning kõige selle poolt indutseeritud elektriväljade (tagasi)mõjude teema saab tõepoolest väga “kuumaks” teemaks. Võib-olla isegi teadvuseprobleemi uurimisel järgmine oluline samm kusagilt siit tulebki. Seda enam, et kui “tavaliste” akson-sünaps-rakk-akson-… mõjude puhul räägime erutuslevi ja regulatsioonide toimimisaegadest diapasoonis mõnedest millisekunditest kuni sadade millisekunditeni, siis välja mõjud on suurusjärkude võrra kiiremad, mistõttu võivad tekkida huvitavad protsessid, mida traditsioonilised psühhofüsioloogilised ja psühhofüüsikalised katsed põhimõtteliselt ei mõõda ja esalgu mõõta ka ei suuda (ehkki nende tagajärjel muutuvaid traditsioonilisi võrgustikus “kaableid pidi” levivaid protsesse mõõdavad). Kuna aju neurostruktuur kesktasemel ja mikrotasemel on ka ruumiliselt äärmiselt mitmekesine ja üsna keeruline, siis interaktsioonid väli-“kaabel”-väli… (väli-membraanipotentsiaal-väli)võiksid põhimõtteliselt luua omapäraseid ja üllatavate tulemustega bioelektromagnetilisi nähtusi. Millistes seostes need teadvusenähtustega on või võiksid olla on esialgu teadmata.
    Eestis on välja mõju aju- ja psüühilistele protsessidele teaduslikult uurinud Prof. Hiie Hinrikus, Dr Jaanus Lass ja nende kolleegid TTÜ-st. (Eriti seoses mobiiltelefonide poolt tekitatavate kõrgsageduslikult fluktueerivate väljade parameetrite diapasoonis.) Seni leitu on vastuoluline — kord on nõrku efekte leitud, kord mitte. Keda huvitab, tasub guugeldada vastavate nimedega ja leida viiteid konkreetsetele artiklitele. Aga need tööd ei ole tehtud ajusiseselt otseselt neuronite “kaabliprotsesside” poolt vahendatud rakkudevahelise erutuslevi ja otse ajust neuronite vahelt mõõdetud elektrivälja mõjude seostest. Ajusiseste närviraku taseme bioelektriliste protsesside mõõtmiseks ette nähtud aparatuuri pole kasutatud. Prof. Hinrikuse grupi uuritavad (suhteliselt nõrgad ja mitte lihtsalt leitavad) mõjud võivad olla ka vahendatud ajukoe temperatuuri muutuste kaudu või muude kaudsete efektide kaudu.

  13. MargusM
    august 3, 2010, 2:28 p.l.

    Kevade poole sai siingi arutatud elektromagnetilise teadvuse võimaluse üle, millest ühe oletuse või teooria nimi on CEMI. Kas on teada fakte mis kindlalt välistaksid võimaluse, et teadvus ongi elektromagnetilise välja omadus (mitte sellega kaasnev ebaoluline nähtus)?

  14. Jaan
    august 3, 2010, 4:01 p.l.

    minu teada seda ideed välistada küll ei saa, aga see muidugi veel ei tähenda, et ta ilmtingimata õige on (näiteks ei saa ka välistada, et teadvus on ikkagi midagi ajust sõltumatut või et pisike teadvus tekib igas üksikneuronis). Samas pean tunnistama, et pärast seda artiklit olen ka ise paar mõelnud korda aju töös tekkivate elektriväljade ja nende potentsiaalse olulisuse üle teadvuse küsimuste uurimisel. aga ma ütleks, et edasine uurimistöö peab näitama, kas see meid kuskile viib. seni võib spekuleerida, aga spekuleerimine iseenesest ei lahenda teadvuse küsimusi … vähemalt seni, kuni spekulatsiooni taga ei ole ka konkreetsed katsed

  15. jaanaru
    august 6, 2010, 9:48 e.l.

    Brad Voytek annab sellele tööle (positiivse) kommentaari oma vaatenurgast – http://blog.ketyov.com/2010/07/endogenous-electric-fields-may-guide.html

  16. Uku
    august 18, 2010, 8:47 p.l.

    Keerukas uurimus, aga vahva tulemus! Kas on olnud ka uurimust, mis tegeleks nö vastandfaasi efekti uurimisega? Põnev oleks ju stimuleerida aju vastandfaasis lainetega ja proovida nii mingit sagedust teatud piirkonnas “ära nullida”. Laine peab olema muidugi väga täpselt vastand.. muidu see tõenäoliselt ei tööta

    Muusika analoog – kuidas instrumentaalvariandi olemasolekul saab päris loost kätte ainult vokaalid http://www.youtube.com/watch?v=onw8y4st4VY

  17. jaanaru
    august 19, 2010, 7:40 e.l.

    hea mõte! samas autorite “negatatiivse tagasisidega” katse on peaaegu et see, millest Sa unistaksid. ilmselt natukene saaks nende ideed täiustada ja nad võtsid tagasisidestamiseks mitte võnkeprotsessi, vaid MUA (multi-unit activity, mis samas aga aeglase võnkumise puhul on päris hästi kooskõlas võnkeprotsessidega). Samas ongi nii, et ehkki näidetes tuuakse alati “kenad perioodilised võnked”, pole ajusignaalid (vt EEG või ka LFP) enamasti “reaalajas” nii ilusad, et neid ühtlaseks võnkeks lugeda ja probleemitult vastandfaasiga võnkega mõjutada (ehkki LFP puhul võib tõepoolest üksiktrialil näha ka väga ilusat gammavõnget ja EEGs on muidugi näha aeglasemad võnked nagu alfa ja magamise ajal delta). sellegi poolest arvan, et lähiaastatel tehakse üsna mitu katset sellise “vastandfaasilise” mõjutusega.

  18. Bachmann
    august 19, 2010, 11:34 e.l.

    Vastandfaasi idee ilu lisaks põnevale “tehnilisele” võttele on ehk ka selles, et teadvusmulje üheks tunnuseks on see, mida ingl k nimetatakse ‘seamlessness’ — pidevus, sidusus, ühtsus, ühtlus, indiskreetsus jmt. Hakitud ja võnkuva signatuuri saamegi “siledaks” ja siledaks vastandfaasiga läbi lahutades.
    Kuna aga iga protsess, mida masin teeb võtab aega, siis paratamatult eeldaks selline operatsioon teatud ennetavat arvutust, kasvõi 1-2 millisekundi ulatuses (isegi väga kiireid tark- ja riistvarasid eeldades). Õnnesk oma valdavas enamuses on EEG toorsignaali muutused järgmiste mikrosekundite jooksul samas suunas liikuvad. Kui nüüd eelnevate tööde põhjal on ka jõnksude ennustamise algoritmid päris heaks saanud (nt kõvera esimese tuletise suhteliselt kiire muutuse puhul ennustavad kiirenduse märgi muutumist), polegi ehk praktiliselt rahuldava tasalaine saamise võimalus lootusetu.

  19. jaanaru
    august 25, 2010, 4:35 p.l.

    tänases J Neuroscience’is Kochi ja Buzsaki gruppide relevantne töö:
    Transcranial Electric Stimulation Entrains Cortical Neuronal Populations in Rats ( http://www.jneurosci.org/cgi/content/abstract/30/34/11476 )

  1. No trackbacks yet.

Lisa kommentaar

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / Muuda )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / Muuda )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / Muuda )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / Muuda )

Connecting to %s