Esileht > ajuteadus > Elektriväljade mõju üksikute närvirakkude aktiivsusele

Elektriväljade mõju üksikute närvirakkude aktiivsusele

Vahel on ajuteaduses tehtavad katsed ja saadavad tulemused lihtsalt nii vaimustavad, et nendest oleks suisa piinlik mitte kirjutada. Nagu ehk mõned blogilugejad teavad, oli mu aasta 2010 lemmiktööks ajuteaduses Fröhlichi ja McCormicku katsete seeria, kus näidati, et lokaalsed elektriväljad mõjutavad neuronipopulatsioonide rütmilist käitumist.

Aga ilmselgelt tulevad teaduses ühe ja sama idee peale korraga mitmed mõtlejad. Kui teadvuseteadlaste jaoks on Christof Koch tükk aega vaiki olnud, siis siin on põhjus tema eemalolekule: tema grupis on läbi viidud just Fröhlichi ja McCormicku katsetele sarnaseid eksperimente. Neist kaks ilmus aastal 2010 ajakirjas Journal of Neuroscience, kuid ma kirjeldan nüüd peagi Nature Neuroscience’is ilmuvat artiklit, mis on sellest kolmikust kindlasti kõige esinduslikum … ja ka kõige ägedam.

Fröhlichi ja McCormicku töö oli vaimustav, kuid enamus tulemusi oli neuronipopulatsioonide tasemel, mis on küll huvitav ja oluline, kuid jätab natuke lahtiseks selle, kuidas täpselt lokaalsed elektriväljad mõjutavad üksiku neuroni laenglemist. Ja seda on tähtis teada ja uurida, sest arvutuslikult toimub ajus palju tähtsaid protsesse just üksikneuroni tasemel.

Costas Anastassiou poolt läbi viidud katses oli kaks olulist erinevust Fröhlichi ja McCormicku tööle: 1) antud juhul oli teadlastel lahuses hoitavasse ajutükki paigaldatud kuni 12 pipetti, mille abil sai mõõta elektrivälja tugevust neuronis, mõõta elektrivälja tugevust neuronitevahelises ruumis ja tekitada elektrivälja. See võimaldas palju täpsemalt kirjeldada elektriväljade mõju üksikneuronitele. 2) antud katses oli kogu sünaptiline aktiivsus farmakoloogiliselt blokeeritud. Kuna neuronid suhtlevad omavahel sünaptilise ülekande abil, siis oli uudse elektriväljadel põhineva suhtlusvormi näitamiseks tarvilik, et leitavad efektid ei oleks põhjendatavad sünaptilise suhtlusega.

Esimene väike uudne tulemus oli see, et üksiku neuroni membraanipotentsiaali mõjutavad väga erinevate sagedustega välised rütmilised elektriväljad, mis omavad sarnast efekti väga erinevate algsete membraanipotentsiaalide puhul. Täpsemalt testiti elektrivälju sagedustega 1, 8, 30, 60 ja 100 Hz, mis läheb palju kõrgemale Fröhlichi ja McCormicku poolt katsetatust. Aga sarnaselt eelmistele töödele näidati, et sellise nõrga elektrivälja mõju membraanipotentsiaalile on väike (alla 0.5 mV; võrdluseks on hea teada, et aktsioonipotentsiaali korral muutub neuroni membraanipotentsiaal umbes 100 mV).

Kuid aju (ja muude keerukate süsteemide) puhul ongi huvitav just see, et säärased imepisikesed muutused mingites parameetrites võivad olulisel määral mõjutada süsteemi edasist tööd. Nimelt järgmiseks uurisid autorid, kuidas sellised elektrivälja poolt tekitatud pisikesed muutused mõjutavad neuronite laenglemist. Selleks sisestasid nad ühte neuronisse natuke voolu, mis tekitas aktsioonipotentsiaale – umbes 2-4 tükki sekundis. Võrreldi kahte tingimust: ühes sisestati voolu, kuid ei mõjutatud elektrivälja, teises sisestati voolu ja samaaegselt tehti ka eelnevalt kirjeldatud rütmilisi muutuseid elektriväljas.

Mis juhtus? Selgus, et ehkki elektriväli ei viinud selleni, et neuronid oleksid rohkem aktsioonipotentsiaale välja saatnud, olid tekkinud aktsioonipotentsiaalid välja mõju tõttu teistsuguse ajastusega. Neuronite aktiivsuse täpne ajastamine võib olla oluliseks aju talituse põhimõtteks ja probleemid neuronite aktiivsuse ajastamisel võivad olla seotud mitmete psüühika- ja käitumishäiretega, seega on oluline aru saada, mida selles katses täpselt tehti ja leiti.

Nagu mainitud, oli tegu võnkuva elektriväljaga. Võnkuvad protsessid on perioodilised: nad korduvad iga perioodi tagant täpselt sama moodi. Näiteks 8 Hz võnkumine kordub sarnaselt iga 0.125 sekundi tagant. Selle perioodi võib jagada erinevateks faasideks (mis samuti korduvad iga perioodi tagant). Seetõttu on võimalik võnkuv elektriväli jagada faasideks ja vaadata, kas neuroni laenglemine toimub mingis kindlas võnkuva elektrivälja faasis (nullhüpotees oleks, et laenglemine toimub juhuslikult – võrdsel määral kõikides võnkuva elektrivälja faasides). Ja tõepoolest – võnkuv elektriväli viis selleni, et neuronite laenglemine toimus suurema tõenäosusega just kindlas elektrivälja faasis. Kusjuures, mida tugevam oli elektriväli, seda tugevam oli faasilukustus – seda suurema tõenäosusega laengles neuron just mingis kindlas elektrivälja faasis. Huvitaval kombel oli faasilukustuse efekt seda nõrgem, mida kõrgema sagedusega oli elektriväli. Seega on elektrivälja poolt tekitatud mõju neuronite ajastusele efektiivsem madalate sageduste (1 ja 8 Hz) juures (ehkki ka 30 Hz juures leiti statistiliselt olulisi efekte kõige suurema väljatugevuse puhul). Seega, lokaalne elektriväli muudab neuronite laenglemise ajastust.

Muidugi on asjalood ajus veelgi põnevamad. Sellised lokaalsed elektriväljad ei mõjuta ainult ühte neuronit, vaid korraga tuhandeid neuroneid. Fröhlichi ja McCormicku töös näidatigi just seda, kuidas elektriväljad mõjutavad neuronipopulatsioone, kuid Anastassiou ja kolleegid tegid täpsemaid mõõtmisi. Nad ei mõõtnud mitte populatsiooniparameetreid, vaid uurisid eelmises lõigus esitatud ajastusefekte korraga nelja neuroni puhul. Seega, nad sisestasid voolu nelja neuronisse ja samal ajal mõjutasid elektrivälja. Tugevamate elektriväljade korral ilmnesid ajastusefektid kõigi nelja neuroni puhul. Kuna sünaptilised protsessid olid blokeeritud, siis viitab see tulemus sellele, et elektriväljad suudavad neuronaalseid protsesse koordineerida sünaptilisest ülekandest sõltumatult.

Võtame selle töö kokku. Autorid kasutasid uudset ja väga peent pipettide seadistust, mis võimaldas korraga mõõta ja mõjutada üksikuid neuroneid. Nad leidsid, et võnkuvad elektriväljad omavad mõju neuronite membraanipotentsiaalidele. Veelgi olulisem, need elektriväljad mõjutavad neuronite laenglemise ajastamist. Seega, ajus eksisteerivad elektriväljad mõjutavad üksikute neuronite tööd ja koordineerivad nende laenglemise ajastust. Oluline on märgata, et need elektriväljad ise tekivad ajus muidugi neuronite töö tulemusena. Seega kui mingi hulk neuroneid saab sisendit või laengleb, siis see muudab nende vahel ja ümbruses olevat elektrivälja nii, et ka kõikide teiste nende vahel ja ümbruses olevate neuronite laenglemise ajastus muutub. See omakorda viib selleni, et ka algselt aktiivsete neuronite käitumine muutub selle elektrivälja tõttu, mille muutuse nad esialgu ise esile kutsusid. Seega annab lokaalne väljapotentsiaal igale üksikneuronile aimu sellest, mida teevad teised neuronid tema ümber, ja võimaldab samas igal üksikneuronil ka muuta seda, kuidas teised neuronid tema ümber käituvad. Ja kui see kõik jäi keeruliseks, siis ärge muretsege – ega ajuteadlased ise ka (veel) täpselt aru ei saa, mida see kõik tähendab.

Allikas:
Anastassiou jt (2011). Ephaptic coupling of cortical neurons. Nature Neuroscience

Rubriigid:ajuteadus
  1. MargusM
    veebruar 2, 2011, 4:41 p.l.

    Näib et katse tulemusena leitu sobib ka CEMI oletusega, mille kohaselt terviklik teadvusekogemus moodustub närvirakkude väljade liitmisel saadava elektromagnetvälja tasemel ning on võimeline tahtlikult mõjutama rakkudes toimuvat.

    “Oluline on märgata, et need elektriväljad ise tekivad ajus muidugi neuronite töö tulemusena”

    Füüsikute mudelites on kaks väljaliiki: skalaarpotentsiaal ja vektorpotentsiaal, esimest arvatakse seotud olevat laenguga mis võib asuda närvirakus, teine saab ruumis levida ja neelduda lainetusena olemata seotud närviraku laenguga. Lähemalt uurides selgub et potentsiaalide täpne sisu pole üheselt selge ning leidub mitmeid mudeleid mis seletavad potentsiaali ja laengu seoseid. Väli on matemaatiline mudel mis seletab laengule mõjuva jõu suurust – katse tulemusena saab mõõta laengule mõjuvat jõudu ja mõju mudelis tagurpidi arvutusi tehes jõutakse järelduseni et lahendiks olevat jõudu pidi põhjustama teatud kujuga potentsiaali väli, mis on matemaatilise mudeli mõiste mille füüsiline sisu pole üksikasjadeni selge.

  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