Käitumisest ajurakkudeni ja ringiga tagasi

Horisondi kodulehel on nüüd vabalt kättesaadav ka meie ajuteaduse seeria teine lugu. Kopeerin teksti ka siia, aga piltidega on ilusam (vt lk 52)

 

Kui küsida, mis on aju põhiliseks ülesandeks, vastab valdav enamus, et aju tegeleb mõtlemisega. Üllataval kombel on see, mida me igapäevakeeles mõtlemiseks nimetame, pigemini aju põhitöö kõrvalnäht. Aju peamine ülesanne on käitumise orkestreerimine. Võib-olla tundub see väide oma igavuses pisut sensatsiooniline. Kaalume tõendusmaterjali:

Tõendusmaterjal 1: ajud on olemas ka väga lihtsates organismides nagu meriteod, millimallikad ja ümarussid ehk olendites, kes oma mõttetarkuse poolest just ei hiilga. Primitiivsete olendite ajud kordineerivad väga lihtsaid kaitse-, liikumise ja põgenemise reflekse. Kui tigu tokiga torkimise järel kerra tõmbub, olete tunnistajaks teo aju arvutuste tulemusele.

Tõendusmaterjal 2: suurem osa imetajate (ja ka inimeste) ajus toimuvast on pühendatud erinevate teadvuseväliste baaskäitumiste kordineerimisele. Suur hulk inimeste igapäevasest käitumistest (hingamine, kõndimine, puudutusrefleksid, silmaliigutuste ja tasakaalu kontroll jne jne) saab alguse peaajust väljaspool. Bioloogiline aju ei ole suur ja ühtne mõtlemise masin. Pigem meenutab meie keha kontroll supertankeri juhtimist, kus spetsiifilised süsteemid töötavad kursi sättimiseks, süvise reguleerimiseks ja kajutite õhkjahutuseks. Kas teadsite, et meie soolestiku seinas on peidus omaette aju, mis on meie ellujäämiseks sama tähtis kui peaaju?

Tõendusmaterjal 3: ilma käitumisvabaduseta oleme äärmiselt viletsad õppijad. Tennisemängu omandamiseks on tarvis aastaid väljakul reketiga ringi joosta, niisama telekast tennist vahtides ei jõua kuigi kaugele. Isegi õigesti nägema õppimiseks on vaja maailmas ringi liikuda. Ajukahjustusega patsientide nägemismeele taastamine polnud pikka aega kuigi edukas, kuni viimaks uurijad taipasid, et inimestel on parem tehislikest nägemissensoritest passiivse vaatlemise asemel neid kandes maailmas ringi jalutada. Ilma aktiivse käitumiseta on aju omamine mõttetu. Kõrgete mõtete peamine kasu seisneb just tulevaste käitumiste paremas planeerimises.

Olles mõistnud aju peamist eesmärki, on meil võimalik paremini mõista ka aju tööd. Meie käitumine koosneb üle ruumi ja aja jaotunud tegevustest. Mõni tegevus on kiire ja lühike nagu eelsõitja pidurituledele reageerimine. Nii mõnigi teine käitumine aga kulgeb palju pikemal ajaskaalal. Näiteks kui avastate, et teie auto pidurituled enam ei põle, peate minema poodi või teenindusse ja see võtab tunde või päevi. Järelikult peab aju infot ühest ruumipunktist teise liigutama vajadusel välgukiirusel, vajadusel aga läbi pikatoimelise mälu. Selles kirjatükis vaatleme, kuidas aju mikroskoopiline struktuur sedasorti paindlikust võimadab.

Välgukiiruse aluseks on elektrilised signaalid

Võtame järgnevalt ette ühe lihtsa käitumise ja näitame, kuidas aju erinevad koostisosad selle käitumise koordineerimisel kokku tulevad. Käsitletavaks käitumiseks on kõige tavalisem silmakaitse refleks, mis toimub iga kord, kui teie silmalaug silmamuna kaitseks alla liigub. Silmamuna on vaja kaitsta putukate, tolmu, tugevate õhuvoolude ja igasuguse muu prahi eest. Silmamuna kaitseta jäämisel võib kergesti toimuda silma välispinna kahjustumine. Kuna keegi ei soovi maailma vaadata läbi kriimustunud ja musta klaasi, on silmakaitse reflekside näol tegemist lihtsa, kuid väga vajaliku käitumisega, mille toimimine väärib pikemat tähelepanu. Pealegi aitab antud käitumise aluseks olev masinavärk meil mugavalt ja lihtsustatud kujul tutvustada aju mehhaanikat.

Et efektiivselt toimida, peab segavate stiimulite vastane kaitse toimima kiiresti. Rünnaku algusest kaitsva silmaliigutuse alguseni kulub umbes 0.1 sekundit. Kuigi silm asub ajust vaid mõne sentimeetri kaugusel, nõuab lühike reaktsiooniaeg, et signaalid leviks aju ja silma vahel kiiremini kui 1 m/s. Seljaaju ja jalgade ühendamisel on suurema kauguse tõttu vajalik veelgi suurem kiirus (ligi 100 m/s). Ainult elektrilised signaalid suudavad sedavõrd kiiresti pikki distantse ületada. Ajurakke ühendavad omavahel pisikesed elektrikaablid, mida nimetatakse aksoniteks. Just aksoni abil saab informatsioon kiiresti ühest rakust teiseni liikuda.

Neuronitevahelised ühendused on vajalikud, sest erinevat tüüpi ajurakud sisaldavad erinevat informatsiooni, mida rakkudel on tarvis omavahel jagada. Silmakaitse refleksis on (pisut lihtsustades) vaja kolme erinevat tüüpi ajurakku. Esimest tüüpi ajurakk (niinimetatud sensoorne ajurakk) saadab oma kombitsad silmamuna pinnale, kus kombitsad registreerivad kriimustavaid või rõhuvaid stiimuleid, mille tuvastamisel saadavad nad koheselt teele signaalid kesknärvisüsteemi suunas. Kesknärvisüsteemis ühendub sensoorne ajurakk vaheneuroniga, mis saadab sensoorse raku signaalid edasi lihastega ühenduvasse (motoorsesse) närvirakku. Motoorne närvirakk omakorda stimuleerib kaitserefleksi aktiveerimiseks silmalaugude lihaseid, millele järgnebki koheselt silmapilgutus.

Tähelepanelik lugeja on hakanud ilmselt juurdlema vaheneuroni tähtsuse üle. Miks ei võiks sensoorne rakk otse motoorse rakuga ühenduda? Vaheneuron käitub refleksi ahelas vajaliku filtrina. Vaheneuron ühendub erinevate sensoorsete rakkudega, mis kannavad infot valguse, helide, puudutuste ja palju muu kohta (joonisel on näha, kuidas ta saab teavet heliinfot kandvatelt neuronitelt). Teie silmapilgutuse võib aktiveerida näiteks vali ja ehmatav hääletoon, üllatavalt ere valgus või valulik puudutus. Samuti võib juhtuda, et mõni puudutus on sedavõrd nõrk, et ta pole silmapilgutust väärtki. Vaheneuron hindab vahetpidamata erinevatest meeleelunditest saadetud signaale ja vallandab silmapilgutuse refleksi ainult siis, kui see tõepoolest vajalikuks osutub.

Õppimine muudab ühendusi ajus

Sensoorsete ja motoorsete rakkudega võrreldes on vaheneuroni ühendused äärmiselt paindlikud. Nende ühenduste paindlikkus pärineb keemilisest allikast. Kahe närvisüsteemi raku puutepunktis asub eriline struktuur, mida nimetatakse sünapsiks. Sünaps muudab esimese närviraku elektrisignaalid keemiliseteks signaalideks, mis omakorda stimuleerivad elektrilisi protsesse teises rakus. Kirjeldatud kaskaad, mis esmapilgul tarbetu tundub, lubab sünapsil käituda nagu programeeritav võimendi: muutes sünapsi suurust, saab kontrollida seda, mil määral esimene neuron teist mõjutab. Sarnane signaal esimeses neuronis viib erineva vastuseni teises sõltuvalt sünapsi tugevusest. Peamiselt sünapside tugevuse manipuleerimise kaudu kirjutab aju endasse mälestusi.

Aju mälu mehhanismi sobib illustreerima tingitud refleks. Tingitud refleks aitab muuhulgas silmi efektiivsemalt kahjustuste eest kaitsta. Kujutage ette, et töötate päevast päeva konditsioneeride parandajana. Konditsioneerid on kapriissed ja mõnikord sülitavad nad äkitselt välja suures koguses tolmu, just selle hetkel kui teie pilk parasjagu konditsioneeri sisemust puurib. Õnneks eelneb tolmu väljutamisele iga kord stereotüüpne krigin. Teie aju on taibukalt õppinud stereotüüpset kriginat ära tundma ja sulgeb krigina kuulmise järel ennetavalt teie silmad. Nii ei pea te enne silmade sulgemist ootama, kuni silmad poolenisti tolmu täis on, vaid saate tolmujoa ennetava käitumisega blokeerida.

Krigina ja tolmujoa vahel tekkinud seos kujutab endast teatud liiki ennustavat mälu, mille salvestamisel mängivad olulist rolli just vaheneuroni sünapsid. Vaheneuronil on võimalus korduvalt jälgida, kuidas kriginale järgneb silmamuna stimuleerimine (joonisel punane ja sinine ruut). Reaktsioonina kahe signaali korduvale paardumisele muudab vaheneuron tugevamaks oma helitundlike ühenduste sünapse. Helisignaale vahendavad tugevnenud sünapsid võimaldavad vaheneuronil hiljem silmapilgutusi aktiveerida juba enne, kui puutetundlikud neuronid silmamunalt halbu uudiseid toovad.

Sisuliselt on vaheneuron sünapside tugevndamise käigus muutnud närvisüsteemi sisemist struktuuri. Niisiis erinevalt arvutiprotsessorist muutub ajurakkude töö tulemusena tõepoolest aju ise. Pärast selle teksti lugemist ei ole teie aju enam samasugune. Ajus muutuvad iga päev miljardite ühenduste tugevused ja selles ühenduste tugevuste täpses mustris on kirjas see, kes me oleme, ja kõik, mis me teame. Näiteks kui kolite uude korterisse, muutub teie ajus ühenduste struktuur nii, et see ühenduste muster kajastab lisaks kõigele muule, mida te varem teadsite, ka seda, kuidas teie uues korteris mööbel paikneb. Seega pikemal ajaskaalal toimuvad käitumised vajavad struktuurseid muutusi ajus.

Aju muudab ühenduste tugevusi närvirakkude vahel kiiresti ja vahel meile soovimatultki. Nii võibki olla erinevate hirmude aluseks see, et vastavad ajupiirkonnad on saanud liiga tihedalt seotud aju hirmureaktsiooni keskustega. Näiteks on tüüpilised hirmutekitajad ämblikud, maod, koerad ja kõrguse kartus. Kui hirmu aluseks on aga ühendused ajus, siis on käes ka tee hirmude võitmiseks: need ühendused ajus tuleb ümber harjutada, ümber dresseerida. Just seda tehaksegi teatud käitumusliku teraapia vormides, kus näiteks ämblikke kartev inimene puutub järelvalve all järk-järgult kokku ämbliku pildi, klaasseina taga oleva ämbliku ja lõpuks ämbliku endaga. Terapeudi poolt pakutav turvaline keskkond aitab lõhkuda aju ühendustel põhinevat seost ämbliku ja hirmu vahel ja seega vähendada inimese kartust ämblike ees. Samuti on näidatud, kuidas sarnane aju-ühenduste ümberõppimine saab aidata posttraumaatilise stressihäirega inimesi. Seega põhimõtted ja teadmised ajuteadusest aitavad meil paremini mõista inimeste käitumist ja seda vajadusel ka muuta.

Kokkuvõtteks

Oleme näinud, kuidas meie aju struktuur peegeldab meie käitumist. Meil on tarvis eri liiki ajurakke, sest peame suutma analüüsida informatsiooni, mis pärineb paljudest erinevatest allikatest. Meil on tarvis nii stabiilseid keemilisi kui ka kiireid elektrilisi signaale, sest sõltuvalt olukorrast peame mõnikord reageerima ülikiiresti, kuid mõnikord peame hoopis väga pikalt planeerima. Paljudele käitumistele vastavad spetsiaalsed ajuvõrgustikud, mille mõistmine aitab meil paremini aru saada näiteks hirmust, mälutõbedest või hoopis halvatusest. Järgmises numbris uurimegi täpsemalt, kuidas ajuteaduse tarkusi patsientide elu parandamiseks rakendada.