Esileht > aju ja teadvus, erilised teadvusseisundid, uni ja unenäod > Ärkveloleku neurobioloogilised alused

Ärkveloleku neurobioloogilised alused

Seda juhtub pigem harva, et kirjakastis on sõnum professorilt, mille sisuks on üks teadusartikkel ja seda kirjeldav sõna – „fantastiline“. Muidugi juhtub veelgi harvem, et ma ise selle artikli peale samuti saltosid tegema hakkan, aga kuna seekord just nii juhtus, siis oleks suisa patt vastavast teadustööst mitte kirjutada.

Tegu on Constantinople ja Bruno artikliga eelmise nädala Neuronist. Lühidalt kirjeldaksin seda artiklit järgmiselt: tihti kulutatakse teadusartiklis 30 lk, et öelda mitte midagi, kuid antud juhul olid kõik selle artikli 8 lk täis väga põnevaid tulemusi. Ilus töö, ilus artikkel. Aga millest ta siis pajatab? Selles teadustöös uurivad Columbia ülikooli teadlased ärkveloleku mõju ajukoore neuronitele ja, mis veelgi põnevam, ärkveloleku seisundi enda neurobioloogilisi aluseid.

Autorid võrdlesid ärkvelolekut üldnarkoosi seisundiga. Üldnarkoosi all hakkab ajukoore neuronites juhtuma midagi väga rütmilist: neuronid on kas kõik korraga aktiivsed (Up-state) või siis täielikult vait (Down-state). See üles-alla muster on sarnane sellele, mis toimub sügavas unes ja kordub nii umbes iga sekundi tagant. Fakti, et teadvusseisund üldnarkoosis ja sügavas unes puudub, seostatakse just selle neuronaalse vaikimisperioodiga – kui neuronid on vait, siis ei toimu ajus töötlust, interaktsiooni, integreerimist ja ei teki ka teadvuselamust. Antud teadustöö esimene tulemus on, et ärkveloleku seisundis säärased vaikimisperioodid puuduvad. See tulemus pole üllatav ja on isegi oodatav, kuid teadlased lisasid siia mitu huvitavat detaili – nad näitasid, et see efekt ilmneb kõigis uuritud ajukoore kihtides ja et narkoosiseisundi all ilmnevad Up-seisundid on ärkvelolekule sarnased. Seega võiks ju spekuleerida, et minimaalseteks (ca pool sekundit) ajalõikudeks on inimene isegi sügavas unes (peaaegu) teadvusel, aga lihtsalt ei ühenda seda elamust mälu ja kõige muuga (sest enne saabub järgmine vaikimisperiood). Samuti on muidugi võimalik, et teadvusseisundi käivitamiseks kulub lihtsalt rohkem aega – et aju peab olema näiteks vähemalt 30 sekundit Up-seisundis, enne kui teadvuselamus tekib (umbes nagu arvuti käivitamine). Seda oleks kunagi päris huvitav testida, kui ärkamise hetkel oleks võimalik (a) mõõta Up-seisundi kestust ja (b) see kuidagimoodi katkestada (näiteks TMSiga vaikimisperioode tekitades). Siis saaks vaadata, kas näiteks pärast 5 sekundit aju Up-seisundit (ja selle katkestamist) katseisik hiljem mäletab mingit teadvuselamust („justkui ärkasin … aga siis tuli jälle tühjus“)

Aga teadlased kasutasid seda teadmist, et ärkveloleku seisundis ei ilmne vaikimisperioode, osavalt oma artikli põhiosas, kus nad uurisid, millised neurobioloogilised mehhanismid vastutavad ärkveloleku seisundi alalhoidmise eest. Selle küsimuse uurimiseks kasutasid nad nii eksperimentaalseid ajukahjustusi kui ka farmakoloogilisi meetodeid teatud neuromodulaatorite aktiivsuse blokeerimiseks. Väga ilus teadus.

Esiteks rünnati ühte kaua püsinud ideed, mille kohaselt teatud taalamuse tuumad on tarvilikud ärkveoleku seisundi alalhoidmiseks. Mitmetes katsetes leiti vägagi ühtlane tulemus, mille kohaselt taalamuse kahjustamine ei häiri ärkveloleku seisundit – hoolimata kahjustatud taalamusest on ajukoore neuronid endiselt püsivalt aktiivsed ja nende aktiivsuses ei ilmnenud vaikimisperioode. Teine kandidaat ärkveloleku seisundi püsimiseks on atsetüülkoliin. Seda hüpoteesi, et just atsetüülkoliin on teadvuse jaoks oluline neuromodulaator, oleme kirjeldanud ka varem, kuid nüüd peab seda väidet natukene tagasihoidlikumalt esitama. Nimelt antud katses atsetüülkoliini mõju farmakoloogiline blokeerimine ärkveloleku seisundit ei häirinud – ajukoore neuronid olid endiselt aktiivsed ja ei evinud vaikimisperioode. Muidugi proovisid autorid ka topeltlööki: nad kombineerisid taalamuse kahjustuse ja atsetüülkoliini mõjude blokeerimise. Ja kui võtta korraga ära need kaks faktorit, mida peetakse oluliseks ärkveloleku alalhoidmiseks, siis … ei juhtu midagi – aju on endiselt püsivas ärkveloleku seisundis ilma vaikimisperioodideta.

Seni olid need põhjalikud ja keerulised eksperimendid olnud tulutud – ärkveloleku seisund ju püsis ka ilma taalamuse ja atsetüülkoliinita. Kuidas saada ärkveloleku seisundist lahti? Teadlased otsustasid katsetada ka teist neuromodulaatorit – noradrenaliini. Ja tõepoolest, viimaks, noradrenaliini mõju blokeerijate manustamine viis selleni, et ärkveloleku seisund murdus – ärkveloleku seisundis hakkasid ilmnema vaikimisperioodid. Noradrenaliini mõju häirimine muutis „ärkveloleku seisundi“ sarnaseks üldanesteesia seisundiga – vaheldusid Up- ja Down-seisundid, kusjuures nende seisundite jaotus oli üldanesteesia ja noradrenaliini mõjuta „ärkveloleku seisundis“ sama.

Niisiis oli sellel põhjalikul teadustööl väga õnnelik ja huvitav lõpptulemus: noradrenaliin, aga mitte atsetüülkoliin või taalamuse aktivatsioon, on tarvilik ärkveloleku seisundi alalhoidmiseks. Hiljutine Nature Neuroscience’is ilmunud töö, kus kasutati ajaliselt väga täpseid optogeneetilisi meetodeid, kinnitab ja täpsustab neid noradrenaliiniga seotud tulemusi veelgi.

Mida me saame sellest tööst õppida teadvuse kohta? Ehkki võiks ju arvata, et teadvus on sünonüümne ärkveloleku seisundiga, arvavad mitmed neuroloogid teisiti. Nimelt defineeritakse vegetatiivset seisundit kui ärkvelolekut ilma teadvuseta. Seega vähemalt selles raamistikus on ärkvelolek ja teadvus midagi erinevat. On veel üks huvitav seik, mis viitab, et noradrenaliin siiski ehk pole teadvuse jaoks oluline. Nimelt on noradrenaliini-allikaks oleva Locus coeruleuse neuronid vait REM une ajal, kui aju on aktiivsusseisundis ja kui üldjuhul nähakse unenägusid – ja unenäod on ju teadvuselamused. Seega võib see töö tegelikult hoopiski tähendada, et atsetüülkoliini ja taalamuse mõju on teadvusega seotud palju tihedamalt, kui varem arvati, sest selle artikli kohaselt nad ei ole seotud ärkveloleku seisundiga (mis oleks ju teadvuse suhtes palju mittespetsiifilisem roll). Näiteks kui atsetüülkoliin ei mõjuta ärkvelolekut, kuid on seotud unenägudega, siis on ta kahtlaselt käsikäes just teadvusega. Muuseas võib sel juhul spekuleerida, et Columbia ülikooli teadlaste rotid olid pärast atsetüülkoliini mõju pidurdamist küll ärkvel, kuid mitte enam teadvusel …

Allikas:
Constantionople ja Bruno (2011) Effects and mechanisms of wakefulness on local cortical networks. Neuron.

  1. jaanaru
    juuni 13, 2011, 6:38 p.l.

    kirjeldatud töö juurde sobib üks uus Cerebral Cortexi artikkel: http://cercor.oxfordjournals.org/content/early/2011/06/13/cercor.bhr121.abstract

  2. jaanaru
    juuni 20, 2011, 2:20 p.l.

    antud postituses üritasin argumenteerida, miks NE, ehkki selle töö kohaselt oluline ärkveloleku seisundi jaoks, ei ole seotud teadvusega, võttes oma argumendi peamiseks toetuseks seiga, et LC neuronid on REM une ajal vait, ehkki REM une ajal ilmnevad unenäod, mis on ju teadvuselamused. hilisem lugemine ja järelemõtlemine on näidanud, et ehkki LC aktiivsuse puudumine on levinud seisukoht, näib siiski, et REM une jaoks on mingisugune minimaalne NE olemasolu tarvilik (Ouyang jt., 2004 J Neurophys; Gottesmann, 2008, Progress in Neurobiology ja edasised viited nendes artiklites). Seega võib siiski olla, et antud teadustöö annab olulise vihje selle kohta, et NE on seotud teadvusega.

  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