Esileht > ajuteadus > Sünaptiliste protsesside jälgimine inimajus!

Sünaptiliste protsesside jälgimine inimajus!

Ma vahel ikka kurdan selle üle, et EEG või MEG mustritest me ei saa välja lugeda, mis ajus tegelikult toimub. Põhjendan seda seisukohta tavaliselt sellega, et kõikide meie vaimsete võimetega seotud ajuprotsessid toimuvad neuronikoosluste tasemel, kus olulised on erinevused aktiivsusmustrites (millised neuronid parajasti mil moel laenglevad), kuid makroskoopiline mõõt nagu EEG mõõdab korraga kõikide nende protsesside mingit keskmist aktiivsust. Seega võib EEG abil ajuprotsesside uurimist lihtsustatult võrrelda sellega, kui keegi üritaks aru saada, kuidas arvuti töötab, vaadates ainult keskprotsessori (CPU) kasutuse mõõdikut (CPU kasutuse saaks ju ka isegi teha aegreaks ning seda siis analüüsida nt sagedusanalüüsidega jne).

Tundub, et ma olen olnud ehk tükike liiga pessimistlik. Peagi ajakirjas Current Biology avaldatava artikli pealkiri lõi mind hetkeks täitsa pahviks – „An in vivo assay of synaptic function mediating human cognition“ (rõhutus minu poolt). Lihtsamalt ja eesti keeles sõnastatuna väidab selle artikli pealkiri, et teadlastel on õnnestunud töötavas inimajus mõõta sünaptilisi protsesse, mis on seotud vaimsete võimetega. Niisiis oleks see ju isegi veel samm edasi sellest, mida ma esialgu ihaldasin – ma oleksin rahuldunud neuronite laenglemise mustri täpsema kirjeldamisega, kuid artikli pealkirja uskudes jõuame me otse sünaptiliste protsessideni. (Ehkki neuronid on tibatillukesed, on nad ja nendes toimuvad elektrilised aktsioonipotentsiaalid hiiglaslikud võrreldes sünaptiliste retseptorite ja sealsete potentsiaalidega). Kuidas see on võimalik?

Esiteks tasub vaadata autoreid. Selgub, et see töö on sündinud Karl Fristoni ja Raymond Dolani koostöös. Need Londonis töötavad teadlased juhivad tänapäeva kognitiivset ajuteadust, avaldades aastas 20-30 artiklit tähtsates teadusajakirjades. Kognitiivses ajuteaduses ei olegi hetkel palju teadlasi, kelle väljund viimase viie aasta jooksul oleks olnud mõjukam kui nende autorite oma. Seega võib nendelt teadlastelt ju tõesti oodatagi läbimurdelisi töid?

Võib. Aga tänapäeva tehnoloogiaga on fundamentaalselt võimatu mõõta inimajus reaalajas toimuvaid sünaptilisi protsesse. Seega peab selle töö taga olema mingi trikk. Ja tõepoolest, kogu lugu on pisikese konksuga. Nimelt mõõdavad autorid ajuaktiivsust siiski MEGga, mille puhul on tänapäeva allikatuvastusmeetodite abil võimalik saavutada nii umbes kuupsentimeetrine ruumiline lahutusvõime. See on MEG kohta päris hea, aga kuupsentimeetri sees toimub siiski tohutult palju sünaptilisi protsesse. Antud juhul autorid töömäluga seotud katses aktiivsuse paremas otsmikusagaras, kus võiks ühe kuupsentimeetri sisse arvestada nii umbes 1 000 000 000 000 sünapsi. Niisiis, kuidas me jõuame sellest massiaktiivsusest sünaptiliste protsessideni?

Võti on vastavate protsesside mudeldamises. Esiteks tuleb mudeldada sünaptilisi protsesse, mis on seotud vastava kognitiivse ülesandega (antud juhul oli tegu töömäluga, ehk siis selle mäluga, mida me kasutame näiteks potentsiaalse kavaleri telefoninumbri alalhoidmiseks, seni kuni ta on märkmikusse või telefoni sisestatud). Teiseks tuleb mudeldada, kuidas kõikide nende tohutu paljude sünaptiliste protsessidega kaasnevad elektrilised muutused kajastuvad MEG poolt mõõdetavates magnetväljades. Iseenesest kõlab see ju lihtsalt, kuid mõlemad sammud on kõike muud kui triviaalsed.

Töömälu aluseks olevaid neuronaalseid ja sünaptilisi protsesse on küll põhjalikult uuritud, kuid minu arusaamise järgi ei ole selles valdkonnas siiski kindlat teadmist selle kohta, „mis tegelikult toimub“. Kõige tuntum idee selle kohta, kuidas töömälu töötab, ütleb, et töömälu seisneb teatud otsmikusagara neuronite püsivas laenglemises ja et see laenglemine esindab töömälu sisu. Sellest ideest lähtuvad ka antud töö autorid, kuid ma tahaksin rõhutada, et see võib olla juba iseenesest vale eeldus kogu järgnevale tööle. Ma pole küll töömälu puudutavate protsesside spetsialist, kuid mulle meenub, et Misha Tsodyks pakkus just hiljuti, paar aastat tagasi, ühes väga mõjukas teadusajakirjas ilmunud artiklis välja, et töömälu aluseks võib olla sugugi mitte püsiv neuronite laenglemine, vaid pigem otsmikusagara sünaptiliste ühenduste suhteline tugevus.

Igal juhul antud töö autorid rakendavad neid teadmisi, mis meil töömälu aluseks olevate neurobioloogiliste protsesside kohta on, et luua vastav biofüüsikaliselt realistik mudel. Sellesse mudelisse on kaasatud kolme erinevat tüüpi neuronid, kolme erinevat tüüpi retseptorid ja dopamiini mõju vastavatele sünaptilistele parameetritele. Dopamiini kaasamine on ehk selle töö kõige kavalam aspekt, sest on juba mõnda aega teada, et dopamiin tõepoolest mõjutab töömäluga seotud protsesse. Antud juhul näidati seda ka katseliselt: dopamiini taseme tõstmisega ajus kaasnes töömälu ülesandes saavutatavate õigete vastuste osakaalu tõus. Niisiis mudeldades dopamiini mõju ajus on võimalik uurida, kuidas mudeldatud sünaptilised muutused kajastuksid MEG tasemel. Ja MEG tulemused on ju mõõdetud, niisiis saab võimalikuks uurida seda, kuidas MEG signaal on seotud vastavate sünaptiliste protsessidega. Voila!

Kui see töötab, siis see on ju päris äge. EEG on teadlastele kättesaadav kõikjal, nii et kui oleksime kindlad, et selline lähenemine võib tuua edu, siis saaksime ju hakata tõepoolest innukalt uurima neurobioloogilisi lokaalse võrgustiku taseme mehhanisme ka inimajus. Aga vaatleme korra veel neid samme, mis selleni viiksid. Esiteks tuleb MEG (või EEG) aktiivsusmustritele rakendada allikatuvastusmeetodeid, leidmaks oluline ajupiirkond (ja selle aktiivsuse muutumine ajas). Ehkki vastavad algoritmid on aastate jooksul läinud paremaks, on see probleem – kuidas aju pinnalt mõõdetava aktiivsuse põhjal leida ajusiseste aktiivsusallikate positsioonid – matemaatiliselt üheselt lahendamatu. Teiseks tuleb mudeldada antud ajupiirkonna neurovõrku. Praeguses töös mudeldati seda küll toredasti, kuid paraku siiski lihtsustatult – tegelikult ei ole ajus ainult kolme tüüpi neuronid, kolme tüüpi retseptorid ja üks neuromodulaator. Kolmandaks on tarvis luua mudel , kuidas lokaalsed võrgustiku taseme membraanipotentsiaalid liituvad MEGs mõõdetavaks aktiivsuseks. Ning jällegi on see mudel antud töös seotud mitmete lihtsustustega. Otse loomulikult on lihtsustused osa teadusest, kuid antud juhul näib see analüüs olevat liiga maagiline – kõik sammud on seotud ebakindlusega, mis kolme peale kokku tekitavad küsitavuse, kui palju me sellistest töödest saadud tulemusi siis ikkagi usaldada tohime, eeldusel et meid huvitab see, mis ajus tõepoolest toimub, ja mitte ainult see, mida meie mudel meile ajus toimuva kohta väidab.

Aga tühja sellest kriitikast – töö on väga huvitav ja vähemalt üritab leida võimalusi, kuidas makroskoopilistest muutujatest midagi järeldada nende põnevate mehhanismide kohta, mis toimuvad mikroskoopilisel tasandil. Seega loodan väga, et vastavad meetodid arenevad ja aitavad meid suure sammu lähemale aju tööprintsiipide lahtimuukimisele.

Allikas:
Moran jt (trükis). An in vivo assay of synaptic function mediating human cognition. Current Biology

Rubriigid:ajuteadus
  1. august 16, 2011, 5:06 e.l.

    Täieliku võhikuna kommiks vaid vähe.
    “Synaptic function” – ei ole vast kõige õigem tõlkida “sünaptiliste protsessidena”.
    KUI me püüame modelleerida seoseid aju väikseimate osiste vahel – ei ole see veel (palju pretensioonikam!) nende seoste toime-mehanismide lahtimõtestamine.
    Funktsionaalse seose enda olemuse kirjeldus (kuitahes ligikaudnegi) – annab ju teoreetilise võimaluse üldisema mudeli seosemehanismide edasivaatlusest. Tõsi, selline mudel võib osutuda sisuliselt vääraks, kuid iseenesest pole ju see oluline: olulisim on – et see seos on funktsionaalne (!).
    Eelnevaga rõhutaksin: selline käsitlus – on edasiviiv!

  2. Henry
    september 18, 2011, 8:04 p.l.

    Hei!
    Juhiks tähelepanu sellele, et neuromodulaator ja neurotransmitter on kaks eri asja!

  3. jaanaru
    september 19, 2011, 8:00 p.l.

    võib-olla pole ma mingitest väga spetsiifilistest või uutest terminoloogilistest trikkidest teadlik, aga üldiselt tundub eelnev kommentaar olevat irrelevantne, sest dopamiin on klassikaliselt nii neurotransmitteri kui ka neuromodulaatori rollis. (vt ka artiklit ennast, kus samuti kasutatakse DA kirjeldamiseks mõlemaid termineid)

  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