Afantaasia

Helesinine koerake lendab luuavarrel üle tiigi – kas see lause tekitas Sus kujutluspilte? Kui ütlen: “meenuta oma eilset õhtupoolikut“, siis kas Sul tekib kujutluspilte sellest? Kui mõtled oma lemmiklaulust, siis kas justkui pisut kuuleksid seda (suudad selle kuulmist ette kujutada)? Kui kõigil juhtudel oli vastus ei, siis Sa oled minu jaoks põnev inimene!

Hiljuti oli meil laboriseminaril umbes taoline vaidlus (nagu ikka, algas kõik väitlusest teadvuse teemadel):

(Mu eesmärk pole seda vaidlust sõna-sõnalt tõetruult esitada, seega vabandan kohalolnute ees)

Mina: “No, aga kui Sa loed raamatust lugu, siis Sul tekivad ju kujutluspildid? Kuidas see stseen välja näeb, kuidas raamatu kangelane puu otsast lõvile kaela hüppab …”

Dr X: “Ei teki, mis udu Sa ajad, loen raamatut”

Mina: “Nii et sõna, sõna, sõna, sõna, aga ei mingit tajupilti”

Dr X: “sõnad jah”

Mina: “Jabur! Aga kujuta ette, et istud parajasti meie labori katsetoolis ja teed seal katset, kus uuritakse teadvustamist! Sa näed ju vaimusilmas arvutiekraani, seina, ehk meie masinaid?”

Dr X: “Esiteks, sellisest idiootsest katses ma küll osa ei võtaks. Ja teiseks, ma võin sellest küll mõelda, aga tuhkagi ma ei näe. Kolmandaks, mis imeasi see vaimusilm on?”

Mina: “Vaimusilm on tõesti kummaline sõna. Aga ärme kaldu teemast kõrvale – Sa oled robot! Mõni ime, et Sa aru ei saa, mis see teadvus on!”

Dr X: “Ega Sa ise ju ka ei saa!”

Dr Xi viimane märkus oli hea. Aga antud juhul olulisem: tegelikult ta ei pruukinud olla robot. Firefoxi looja ja Facebooki direktor Blake Ross on kirjutanud fantastilise loo afantaasiast – oma loo sellest, kuidas ta aru sai, et tal on midagi puudu – et tal ei teki automaatselt või tahtlikult kujutlusi … ja kuidas ta mõistis, et teised kõik (peaaegu kõik) suudavad seda:

I have never visualized anything in my entire life. I can’t “see” my father’s face or a bouncing blue ball, my childhood bedroom or the run I went on ten minutes ago. I thought “counting sheep” was a metaphor. I’m 30 years old and I never knew a human could do any of this. And it is blowing my goddamned mind.

Lugu on fantastiline, aitäh Tambetile viite eest. Kui tekitab huvi, võid ennast testida siin.

 

 

 

teadvusest, avameelselt

Kirjutan aegamööda vastuseid Tiidule, aga alustan hoopis Alari kommentaarist

Ma ei tea kas teadvuse uurijad seda teemat uurivad, kuid psühholoogiast on hästi teada, et kui on mingi uskumuste süsteem, siis igat järgnevat informatsiooni interpreteeritakse selle uskumuste süsteemi valguses. Mitte sobivad väited kustutakse ära, moondatakse jne. Freudi psühholoogilised kaitsemehhanismid toimivad ka kõigi teadlaste puhul. Ja minu hinnangul viib teadvuse uurimine paratamatult materiaalsest paradigmast eemale, kui julgetakse kõik küsimused lõpuni esitada ning ei kardeta kognitiivset dissonantsi

Või on just nii, et kui kõik küsimused lõpuni uurida ning mitte karta kognitiivset dissonantsi, jõutakse paratamatult järeldusele, et teadvus on ajus?

Alari kommentaar esitab pisut eksitava pildi teadlasest: head teadlased alati kahtlevad varasemates uskumussüsteemides; tihti on teadlase üks soov eelnevaid arusaamu vangutada; leida see, kus autoriteedid eksivad. Oma igapäevatöös üritan tihti leida vigu oma kolleegide mõtlemises ja oleme varasemat uskumussüsteemi lahti lammutanud nii teadvuseteaduses kui ka süsteemide ajuteaduses. Võiks öelda, et headel päevadel lähebki muu töö põhiaur sellele, et mõelda, mis teised teadlased valesti on mõelnud. Ärge kunagi alahinnake seda, kui palju ja kui põhjalikult teadlased mingi probleemi üle mõtlevad! Võttes näiteks teadvuseuuringud: kui tavainimene jõuab ehk oma muu töö kõrvalt teadvuse kohta lugeda tunni päevas, siis teadvuseteadlane tegeleb teadvuse uurimisega 8-10 tundi päevas, aastaid järjest.

Usun, et pea iga teadvuseuurija on vähemalt korra kaalunud võimalust, et teadvus pole ajus. Ka ma ise alustasin just sellest seisukohast,  ka mina ise ei tahtnud alguses kuidagi nõustuda väitega, et teadvus on vahetult seotud aju tööga. Ma alustasin oma teadvuseuuringuid, uskudes et teadvus on midagi ajust muud, ja tahan teiega järgnevalt jagada osa nendest põhjustest, miks ma oma algset seisukohta muutsin.

 

Teadvus ja aju on tihedalt seotud

Üks tugevamaid tõendeid väitele, et teadvus on ajus, on see, et mingi kindla ajupiirkonna töö häirimine muudab vastavat spetsiifilist osa teadvuselamusest. See tähendab, et ajupiirkonna A mõjutamine mõjutab teadvuses aspekti A’, ajupiirkonna B mõjutamine aspekti B’ jne. Kui teadvus ei ole ajus, siis miks peaks taoline seaduspärasus leiduma? Vaatleme seda tõendusmaterjali lähemalt.

Uurides ajukahjustusega patsiente, selgub, et osadel neist on väga kindlapiirilised puudujäägid teadvuselamuses. Näiteks mõni neist ei teadvusta liikumist, mõni teine ei teadvusta värve, mõni ei teadvusta kujusid või koguni ainult nägusid. Olulisel kombel on need defitsiidid teadvuselamuses süstemaatiliselt seotud kahjustuste asukohaga ajus. Ükskõik millisel patsiendil, kellel on kahjustus ajupiirkonnas MT/V5, on häiritud liikumise teadvustamine. Kui patsiendil on kahjustatud teatud osa alumisest oimusagarast, ei teadvusta ta enam objekte. Huvitaval kombel võib ta siiski suuta neid samu objekte haarata, reguleerides isegi oma haarde suurust vastavalt objekti kujule ja suurusele, mida ta ei teadvusta. Seega selline kahjustus viib ainult objektide teadvustamise kadumiseni. On palju patsiente, kes näevad hästi objekte, kuid ei suuda teadvustada nägusid. Jällegi, nende puudujäägid teadvuselamuses on selgitatavad kindlapiiriliste kahjustustega ajukeskustes, mis on seotud nägude töötlemisega.

Seega ajukahjustuste poolt tekitatavad puudujäägid teadvuselamuses on hämmastavalt täpselt seotud sellega, milliste ajupiirkondade töö on ajukahjustuse tagajärjel häiritud.

Kui te arvate, et see pole piisavalt hea tõendusmaterjal, siis ma võin tulla teie juurde, avada teie kolba ja toppida teile ajju mõned elektroodid. Lastes nendest elektroodidest läbi pisut elektrivoolu oleks mul võimalik mõjutada seda, mida te teadvuslikult kogete. Stimuleerides teie visuaalset korteksit, siin kukla lähedal, võiksin teie teadvusesse tekitada valgussähvatusi. Selle jaoks ei ole meil tegelikult isegi tarvis teie kolpa avada – me võime valgussähvatusi teie teadvusesse tekitada ka väljaspool aju toimuva magnetstimulatsiooni abil. Transkraniaalse magnetstimulatsiooni (TMS) katseid oleme läbi viinud ka Tallinnas, Talis Bachmanni laboris. TMSi abil on võimalik valikuliselt pärssida mõne katsetajat huvitava ajupiirkonna talitust. Nii muutub võimalikuks sooritada „virtuaalseid ajukahjustusi“ – ajukahjustusi, mis tekivad tänu TMSile ja kaovad niipea, kui TMSi mõju lakkab. Nõnda saab näiteks piirkonda MT/V5 stimuleerides häirida hetkeks katseisiku liikumistaju või piirkonda V1 stimuleerides lühiajaliselt kaotada osa tema nägemisväljast, kusjuures taaskord on see, milline osa nägemisväljast kaob, täpselt seotud sellega, millisesse V1 osasse katsetaja TMSi rakendab. See on üsna muljetavaldav, et täiesti tervel katseisikul on võimalik tekitada defitsiite teadvuselamuses, mõjutades magnetiga tema aju! Veelgi enam, muutes natukene stimulatsiooni parameetreid, on võimalik teadvuselamusi ka tekitada. Näiteks kui stimuleerida neidsamu V1 piirkondi, siis teadvustab katseisik sähvatusi – fosfeene. Kui aga stimuleerida piirkonda MT/V5, võib katseisik teadvustada liikuvaid fosfeene. 

Need tänapäevased tööd sobivad kokku 20. sajandi keskpaigas saadud tulemustega, kus selgus, et patsientide poolt aju elektrilise stimuleerimise tagajärjel kogetud teadvusmuljed on süstemaatiliselt seotud sellega, millist ajupiirkonda parajasti elektriliselt stimuleeriti. Näiteks hippocampuse lähistel võiks selline stimulatsioon valgussähvatuste asemel tekitada keeruliste mälusisude taasesitamise – näiteks võiksite järsku oma vaimusilmas taaskogeda oma esimest koolipäeva. Kokkuvõttes on teadvuselamuse erinevad aspektid väga kindlalt ja seaduspäraselt seotud erinevate ajupiirkondade tööga ja nende töö pärssimine või muutmine viib defitsiitide või muutusteni vastavates teadvuselamuse aspektides. Kui teadvus oleks midagi ajust erinevat, siis miks peaks see nii olema?

 

Palun lükake ümber väide, et teadvus on ajus

On tähtis mõista, et piisaks vaid ühest teaduslikust faktist selle kohta, et eksisteerib midagi taolist nagu vaim või hing või midagi ajust sõltumatut, näitamaks et me oleme midagi enamat kui vaid aju. Ehk on mõni teist kuulnud kehavälistest kogemustest? Sellised lood, kus inimesed räägivad, kuidas nende vaim oma kehast väljus, oleks ju kaunis vastutõend kogu sellele ideele, et meie olemus on ajus. Samas ajus võib igasugu naljakaid ettekujutusi tekkida.

Võtame vaatluse alla surmalähedased kogemused, kus inimesed näiteks pärast elustamist haiglapalatis pajatavad sellest, kuidas nad rändasid tundmatutes maailmades, nägid tunnelit, jumalat ja surnud sugulasi. Ma ei väida, et sellised kogemused on väljamõeldised. See, et südame seiskumise korral tekivad inimesel väga kummalised teadvuselamused, on ajuteaduse seisukohast täiesti oodatav – kui hapnikurikas veri hakkab ajust otsa saama, siis see on ka aju jaoks väga kummaline olukord, mis viib kordumatute ajuaktiivsusmustriteni, mis otse loomulikult on seotud eriliste teadvuselamustega. Juba väike doos hallutsionogeenset ainet tekitab meile kentsakaid teadvuselamusi ja visioone – on täiesti loogiline, et hapnikurikka vere puudumisest tingitud totaalne muutus on palju võimsam ja viib ka palju kentsakamate teadvusfenomenideni.

Surmalähedaste kogemuste juurde käivad tihti aga ka kehast väljumise kogemused. Ma ei väida, et kehast väljumise kogemused on väljamõeldised. Sellisel kummalisel hetkel võivad need kummalised ajuaktiivsusmustrid tõepoolest luua teadvuselamuse justkui oleks inimene oma kehast väljunud. See teadvuselamus võib tõesti tekkida, aga ta tekib ajus. Me ka teame, et aju teatud piirkonda elektriliselt stimuleerides on võimalik luua teadvuselamus kehavälisest kogemusest. Mõelge: kui teie aju teatud piirkonnast stimuleerida, tunnete, et olete oma kehast väljumas. Sellised kehavälised kogemused tekivad ajus ja on täiesti kooskõlas ajuteadusega.

Kindlasti on neid, kes tõttaks viitama inimeste lugudele, kus nad on kehaväliste kogemuste korral midagi näinud või kuulnud, mida muidu poleks kuidagi saanud näha või kuulda. Kahjuks teadustöö sellist fenomeni ei toeta. Vähemalt põhimõtteliselt oleks väga väga lihtne kindlaks teha kehaväliste kogemuste eksisteerimist: tuleks kuskile, kus patsient seda oma voodist ei näe, asetada mingi objekt, ja pärast patsiendilt selle kohta midagi pärida. (või hästi kontrollitud variandis, et välistada arstide ja õdede mõju, võib nt kapi peale suurelt kirjutada mingi sõna ja pärast küsida, mis sõna see oli?) See on teaduslikus mõttes väga lihtne katse. Ja seda katset on korduvalt mitmel pool maailmas läbi viidud. Ühes hiljutises ülevaateartiklis kirjutab surmalähedasi kogemusi uuriv teadlane: “Until now, however, there has been no published case where a patient has perceived this hidden sign” (Van Lommel, 2011, p. 23). Oluline on märkida, et see teadlane ise usub, et surmalähedased kogemused näitavad just seda, et teadvus on ajust erinev, seega ei tasu teda kahtlustada millegi varjamises. Minu probleem on järgnev: mul oleks väga hea meel, kui me saaksime veenvalt näidata, et teadvus võib eksisteerida ajust eraldi. Kuid kui on selline lihtne katse ja mitte kuskil kõigi nende surmalähedaste kogemuste ajal mitte keegi pole seda katset läbinud (st märki või sõna või objekti raporteerida suutnud), siis pole mul teaduslikku alust uskuda, et surmalähedased kogemused näitavad midagi selle kohta, et teadvus võib ajust eraldi eksisteerida.

Kui isegi neid erilisi teadvusseisundeid, mida peetakse tõenditeks teadvuse ja aju sõltumatuse kohta, on võimalik mõjutada ja esile kutsuda, mõjutades aju, siis on üsna loogiline järeldus, et teadvus on tõesti ajus. Seega praegusel hetkel, nende teaduslike tõendusmaterjalide valguses, mis me oleme tänaseks päevaks kogunud, on teaduslikult mõistlik arvata, et kogu meie „vaimne“ olemus on tõepoolest just mingisugune ajuaktiivsus.

 

Teadvus on ajus?

On võimalik, et me peame oma teaduslikku maailmapilti pisut laiendama, et selgitada teadvust. Me ei tea veel. Võin nõustuda, et oleks arrogantne arvata, et see, mis me praegu maailma ja universumi kohta teame, on kõik, mis teada on. Näiteks Aristoteles oli ka väga tark mees, kuid arvas, et aju on vaid vere jahutamiseks – võib olla, et viiekümne aasta pärast naerdakse ka meie praeguste tühiste hüpoteeside ja ideede üle.

Seega ei tasu liiga kinni hoida praegustest ideedest ja teooriatest, vaid tuleb olla avatud meelega ja teha teadust, teha katseid, et oma parimaid ideid testida. Kui tulevikus tehtavad paremad katsed veenavad meid, et teadvus on midagi hoopiski ajust erinevat, siis see on väga tore, siis me teame rohkem. Teadus ei seisne mitte oma ideede vankumatus kaitsmises, vaid avatud meeles ja soovis oma enda ideid vangutada.

Me hetkel ei tea ja ei oska ette ennustada, milline täpselt on teadvuse suure probleemi lahendus. Kuid parim, mis me praegusel hetkel teha saame, on teha teaduslikku uurimistööd ja hoida silmad-kõrvad üllatusteks lahti.

Uni on üksikneuronite puhkuseks

Me magame maha umbes kolmandiku oma elust … sest me magame. Arvatavasti pole ma ainus, kes on endale vahel, kui uni tuleb segama hea raamatu nautimist või kirjatöö lõpetamist, esitanud küsimuse, miks on tarvis magada. Mida see meile annab? Võiks ju pakkuda, et uni on puhkuseks, aga sel juhul võib küsimust täpsustada: miks ei saa puhata lihtsalt rahulikult lesides – miks on tarvis vajuda unne, vaimselt keskkonnast eemalduda, olla teadmatu ümbritsevas toimuvast? Kui uni on puhkuseks, siis me tahame teada, millised protsessid saavad une ajal sellist puhkust, mida nad ärkvelolekus lesides ei saaks. Miks me magame?

Viimastel aastatel on kõige populaarsemad olnud need teooriad, mis väidavad, et uni on mälusisude salvestamiseks, ja idee selle kohta, et une ajal vähendatakse sünapsite suuruseid.

Kuid klassikaliselt on nende teooriate kõrval alati olnud ka idee, et uni on tõepoolest puhkuseks – ajurakkude puhkuseks. Seega on mul hea meel, et Vladyslav V. Vyazovskiy ja Kenneth D. Harris on nüüd seda ajurakkude puhkuse ideed moderniseerinud ja muudavad oma peagi Nature Reviews Neuroscience’is ilmuva arvamusartikliga selle iseenesest lihtsa teooria taas päevakajaliseks.

Autorid toovad esile, et ehkki on olnud mitmeid ideid selle kohta, miks üksikud neuronid peavad puhkama, puudub arusaam sellest, kuidas see üksikneuronite puhkus on seotud aju üldise aktiivsusega. Autorite peamine tees on lihtne: kuna ajurakud on üksteisega tihedalt seotud (ühe ajuraku aktiivsus mõjutab paljude teiste oma; paljude erinevate ajurakkude aktiivsus mõjutab ühe ajuraku oma) on ainus võimalus neuroni puhkamiseks see, et kogu võrgustik (kümned tuhanded neuronid) puhkavad koos. Kui nad ei puhkaks koos, ei saaks ka üksikneuron puhata, kuna teised neuronid saadaksid talle pidevalt sünaptilisi sisendeid. Seetõttu tekivadki lokaalsed vaikimisperioodid, kus teatud ajupiirkonna neuronid lõpetavad tulisklemise ja on vaiki. Sellised lokaalsed vaikeperioodid on une (ja üldisemalt teadvusetu seisundi) tunnuseks.

See, et lokaalsed võrgustikud peavad koos vaikima, ei selgita siiski, miks uni on nii globaalne fenomen, kus kogu aju magab. Tõepoolest, meie ajus on 100 000 000 000 neuronit – võiks ju leida viisi, kuidas erinevad neuronipopulatsioonid kordamööda puhkavad? Vyazovskiy ise on ka näidanud, et roti ajus vajuvad üksikud närvirakude grupid unne, mis sest, et rott on ärkvel ja tegutseb. Niisiis, miks vallutab uni terve aju? Sellel on kaks peamist põhjust. Esiteks mõjub osaline neuronipopulatsioonide väljalülitumine halvasti kõiksugu vaimsetele võimetele, mis võib kokkuvõttes olla ohtlikum kui see, et kogu organism on mitteaktiivne (nt unise peaga autojuhtimine on ohtlikum kui seisvas autos magamine). Teiseks on võimalik, et globaalne uneseisund on siiski ajurakkude puhkuseks parem ja optimaalsem kui lokaalsed mikrouned. Tegelikult hetkel see päris täpselt selge pole, miks globaalne uni peaks ajurakkudele puhkuseks parem olema, kuid tegu on huvitava uurimisprobleemiga, millega järgmiste aastate jooksul hooga tegeldakse. Üks potentsiaalne vihje on muidugi see, et aju keemiline miljöö on globaalse une ajal väga teistsugune kui ärkvelolevas ajus – ehk see keemiline taust soosib neuronite kallal toimuvat parandustööd.

Aga miks ikkagi on seda parandustööd tarvis teha? Miks on üksikutel neuronitel tarvis puhata? Eelnevalt on välja pakutud ja artiklis saab ka autorite poolt korratud, et ärkveloleku ajal tõuseb neuronite mitokondrites reaktiivsete hapnikuühendite hulk, mis omakorda võib viia DNA ja teiste biomolekulide kahjustumiseni. Samuti viib ärkveloleku jooksul pidevalt toimuv valgusüntees voltimata valkude vastuseni. Kindlasti on neile lisaks veel mitmeid teisi põhjuseid (millest osasid artiklis ka mainitakse ja teisi veel ei teatagi), miks üksikneuronid vahepeal aktiivsusest puhkama peavad. Autorid võrdlevad seda protsessi lihaste väsimisega – kui teha lihaspingutust nõudvat tööd või trenni, lihased väsivad ja vajavad puhkust. Oluline on märgata, et lihased ei väsi mitte seetõttu, et nad oleksid kahjustunud, vaid nad väsivad ennatlikult, et kahjustusi ära hoida. Seega on Vyazovskiy ja Harrise arvates uni vajalik, kuna ta aitab ennetavalt ära hoida meie närvirakkudele ja ajule potentsiaalselt tekkida võivaid kahjustusi. Magagem!

Allikas:
Vyazovskiy ja Harris (2013). Sleep and the single neuron: The role of global slow oscillation in individual cell rest. Nature Reviews Neuroscience.

Teadvusetuse neurobioloogilised alused

Mis juhtub ajus, kui manustada keemilist ainet, mis viib teadvuse? Selliseid keemilisi aineid kasutatakse näiteks kliiniliste operatsioonide ajal, et saavutada üldnarkoos. Sellise operatsiooni ajal näiteks EEG elektroodi abil peanahalt ajuaktiivsust mõõtes torkab silma, et üldnarkoosi all valitsevad ajus suure amplituudiga aeglased lained. Need lained paistavad olema väga tüüpilised teadvusetuse seisundile: näiteks teadvuseta sügavas unes mõõdame inimese kolbalt ja kolba seest üsna samasuguseid aeglaseid suure amplituudiga laineid. On teada, et üldnarkoosi ajal on need lained korrapärasemad ja sünkroonsemad üle korteksi, mis võib (osaliselt) selgitada olulist vahet sügava une ja üldnarkoosi vahel – enamasti ärkab magaja kergelt, kui teda mingi oraga surkida, samas kui üldnarkoosi all olev patsient jääb (õnneks enamasti) teadvusetuks.

Niisiis, aeglased lained on head teadvusetuse markerid. Aeglaste lainete dünaamika kohta on üht-teist juba teada, kuid peagi PNASis ilmuv töö Lewise jt poolt Emery Browni ja Patrick Purdoni grupist lisab olulisi detaile. Autorid uurisid propofooli poolt tekitatud anesteesiaseisundi neurokorrelaate.

Antud töö teevad minu jaoks eriti huvitavaks kaks aspekti: esiteks mõõdetakse anesteesiaseisundis inimajust nii üksikute neuronite aktiivsust, lokaalseid väljapotentsiaale kui ka ajukoorele paigutatud elektroodideni kanduvaid aktiivsuslaineid – täiskomplekt mitmel skaalal; teiseks oli tänu signaali väga heale kvaliteedile teadlastel võimalik iseloomustada aktiivsusmustreid vahetult anesteesiaseisundisse langemisel, teadvuse taeva alt teadvusetuse varjudesse kadumisel. See hetk operatsionaliseeriti järgnevalt: patsient, kellele manustati anesteetikumi, kuulis auditiivseid stiimuleid (sõnu) ja pidi neile reageerima nupuvajutusega; kui nupuvajutused lakkasid, lakkas teadlaste jaoks ka nõnda operatsionaliseeritud teadvus ja algas teadvusetu anesteesiaseisund.

Mis juhtub sel hetkel ajus? Esiteks hetkeks pea lakkab mõõdetud üksikneuronite aktiivsus. Kuid see vaikus pole jääv: järgnevate minutite jooksul üksikneuronite aktiivsus osalisel või koguni täiel määral taastub. Kui see aktiivsus taastub, siis on ta aga teistsuguse struktuuriga. Nimelt tekib teadvusseisundi kadumisel pea koheselt juba mainitud suureamplituudine aeglane ostsillatsioon (ca 0.1-1 Hz).

See rütm haarab enda mõju alla ka üksikneuronite aktiivsuse: neuronid laenglevad vaid selle aeglase rütmi teatud faasides on üsna vait teistes. Huvitaval kombel näitavad autorid, et kui neuronid aktiveeruvad, siis on nende aktiivsusmuster üsna sarnane teadvusseisundi omale: see aktiivsusseisund on lihtsalt lühem, kestab paarsada millisekundit ja talle järgneb aktiivsuse lakkamine, vaikus. Seega, nagu ka varem kirjeldatud, on korteksis aktiivsed perioodid aeglase ostsillatsiooni ajal üsna sarnasesid teadvusseisundis mõõdetavale, erinevuseks on aeglase ostsillatsiooni faasid, kus üksikute neuronite aktiivsuses on paus.

Nagu öeldud, on säärased aeglased rütmid mõõdetavad ka sügava une ajal ja sügavas unes olevate patsientide ajust tehtud mõõtmised näitavad, et aeglased lained ei ole sugugi mitte kõikjal üle korteksi samaaegselt – sel ajal, kui osades piirkondades on aktiivsed perioodid, on mõned teised piirkonnad vaiki. Otse loomulikult ei saa nii pidada piirkondadevahelist suhtlust! (Et kaks autojuhti teineteist vastasstikku sõimata saaksid, peavad mõlema aknad olema alla keeratud …) Lewis ja kolleegid näitavad sama anesteesiaseisundi korral – erinevate piirkondade aeglased ostsillatsioonid on ühel ja samal ajahetkel erinevates faasides, muutes piirkondadevahelise kommunikatsiooni võimatuks.

Mida need tulemused tähendavad? Hetkel armastatuim selgitus ütleb, et aeglaste lainetega kaasnevad vaikeperioodid, mis on erinevates piirkondades erinevatel aegadel, takistavad piirkondadevahelist informatsiooni integratsiooni ja seetõttu kaob ka teadvus. Tononi rõõmustaks.

Aga asja teaduslikult suhtudes tasub märgata, et tegu on vaid korrelatsiooniga – aeglaste ostsillatsioonidega kaasneb teadvuse kaotus. Vaikimisi kiputakse arvama, et aeglased rütmid põhjustavad teadvuse kadumise (sest nad ei luba tekkida korteksi piirkondade vahelisel suhtlusel). Kuid võib ju ka olla, et anesteetikum mõjub mingile muule keskusele (nt taalamus, mitmed erinevad ajutüve tuumad), mille deaktiveerimine põhjustab nii aeglased ostsillatsioonid kui ka – neist sõltumatult – teadvuse kadumise. Oleks teaduslikult julge ja tore katse, kui keegi püüaks saavutada une- ja anesteesiaseisundiga võrdväärseid aeglaseid ostsillatsioone, samal ajal veendudes, et katseisik on sellest hoolimata teadvusel. Vabatahtlikke?

Allikas: Lewis et al (in press) Rapid fragmentation of neuronal networks at the onset of propofol-induced unconsciousness. PNAS.

Ma tean, mida Sa unes näed vol 4

Madis märkas juba ammu, kui viitsis mu üleskutset järgida, kuid nüüd on ka rahvusvaheline ja kodumaine teadusajakirjandus järele jõunud ja kajastavad Neuroteaduse aastakonverentsil esitatud tulemust, mille kohaselt on Kamitani laboris saadud esimesi positiivseid tulemusi inimeste unenägude ajust väljalugemise kohta.

Ei saa öelda, et meid see tulemus üllatanud oleks. Juba kolm ja pool aastat tagasi avasime oma seeria positustest “ma tean, mida Sa unes näed” (1, 2, 3 ja ka postitus “ma tean, mis Sa unes teed“). Sellegi poolest on lugu muidugi üsna hämmastav. Igal juhul ootame aga selle tulemuse artikliversiooni, sest poster on vaid peibutav eelroog, mida korraliku teadustulemuse pähe võtta ei tohiks (kuna tulemused pole veel läbinud kolleegide kadalippu).

Teadvuse Neuroteadus 2012

Iga aasta sügisel kogunevad kümned tuhanded ajuteadlased, et arutada kõikvõimalikke ajuteaduse teemasid. Mitme päeva peale kokku on üleval umbes 15 000 postrit … täis teadust! 2010 käisin ise ka seal kohal, kuid sel aastal, nagu ka eelmisel, olen kodus ja loen lihtsalt postrite ja ettekannete sisukokkuvõtteid. Jagan enda jaoks magusamaid ka teiega:

Esiteks on Nao Tsuchiya ja Alexander Maier korraldanud minisümpoosiumi “teadvuse neurokorrelaadid: hiljutised läbimurded”, mille sisu näib küll piisavalt tore, et tahta seal kohal olla, kuid “Läbimurretega” tegu pole.

Teadvuse sisude või teadvuse neuronaalsete korrelaatide otsingute suhtes on kõige olulisem ehk Li ja He töö, kus esiteks üsna kenasti meie kirjeldatud probleemistiku raames üritatakse teadvuse neuronaalseid korrelaate pisut paremini tuvastada ja teiseks seda paradigmat kasutades leitakse, et teadvuse neuronaalseks korrelaadiks on just aeglased potentsiaalid. Professor Bachmannile see tulemus meeldib, ehk meeldib teistelegi.

Nagu ka eelmisel ja üleeelmisel aastal, on rohkem põnevaid töid mitte teadvuse sisude, vaid teadvuse seisundi kohta. Paar maiuspala: hiljuti Science’i tööga hakkama saanud Yuri Saalmann raporteerib, et anesteesiaseisundi ja ärkvelolekuseisundi vahe on mitte kortikaalses suhtluses, vaid selles, kuidas korteks on seotud taalamusega. Natukene kahju on sellest, et Saalmanni nime lugedes tekkis mul juba lootust, et tegu on elektrofüsioloogia tööga, kuid antud juhul põhinevad need tulemused “kõigest” ahvidega tehtud fMRIl. Sarnaseid fMRI tulemusi on aga inimeste ajukuvamises juba saadud, seega jääb vaid loota, et Saalmann ja kolleegid järgmise sammuna selle sama töö tõepoolest ka elektrofüsioloogia abil läbi viivad.

Tononi grupilt tuleb ka põnevaid töid, mis on seotud eelkõige uneseisundiga. Tihti võib kuulda arusaama, et unenägusid nähakse vaid REM unes. Tegelikult on teada, et see pole tõsi – vahel REMist ärgates selgub, et ei toimunud teadvuses midagi, vahel NREMist ärgates on ka mõni mõttejupp või isegi kirev unenägu parajasjagu käimas. Minu arvates on see täiesti oodatav, sest see, mida me nimetame REMiks või NREMiks vastab väga üldisele ajuseisundile ja tänaseks päevaks on teada, et ajuseisund võib muutuda ka lokaalselt. Seega peab ilmselt leiduma täpsemaid ajumarkereid, mis ennustavad, kas magaja näeb und või ei. Tononi ja tema grupp ongi vastavaid katseid läbi viinud ja annab meile teada, kuidas nad masinõppe abil seda küsimust vastata üritasid. Selgus, et otsmikusagara kohalt mõõdetud delta-sagedusriba jõudlus oli vahetult seotud unenägude nägemisega: kui delta-sagedusriba jõudlus oli kõrge, ei toimunud teadvuses suurt midagi, kuid kui jõudlus oli nõrgem, nägi katseisik ilmselt und. Masinõppealgoritmid suutsid delta-sagedusriba jõudlusest magaja unenägemise välja lugeda.

Ja viimane töö teadvusseisundite kohta on ehk kõige ägedam: EEG ja fMRI töid erinevate teadvusseisundite kohta on palju-palju, kuid teadvusele me suurt lähemale nende abil jõudnud pole. Ilmselt pole mina ainus, kes mõtleb, et võiks üritada ajust ka muid signaale mõõta. Õnneks rottide puhul saab mõõta ka muid signaale ja õnneks nüüd Matthew Larkumi grupis Berliinis on läbi viidud katseteseeria, kus on tõepoolest kirjeldatud erinevate teadvusseisunditega seonduvaid muutuseid kortikaalsete neuronite kaltsiumi-aktiivsuses. Seda artiklit tahaks peagi lugeda küll!

Ja lõpuks taas üks meie vahetu uurimistööga seonduv lühikokkuvõte. Oma hiljutistes katsetes oleme muuhulgas vaadanud valge vs musta tausta erinevusi teatud tüüpi ajuvastustele. Ma ise olin algul selle suhtes isegi skeptiline, aga väga hea elektrofüsioloogia grupp raporteerib nüüd, et valge ja must taust seavad esmase visuaalse korteksi väga erinevasse dünaamilisse seisundisse.

Tegelikult on häid ja huvitavaid asju muidugi veel tohutult palju, nii et palun väga, sirvige oma lemmikmärksõnadega ise ja andke ka siin märku, kui midagi väga põnevat avastate.

Huvitavad artiklid: 27. mai 2012

Vahepeal on ilmunud suur hunnik artikleid, millest võiks midagi pajatada, kuid neist ükski pole mind rabanud piisavalt, et siia üks pikem lugu kirjutada. Kommenteerin siis lühidalt paari artiklit, mis mul hetkel siin laua peal lebavad.

Viimases Nature Reviews Neuroscience’i numbris on tähtis ülevaateartikkel György Buzsaki ja Christof Kochi poolt, kus nad arutavad nende signaalide üle, mida me mõõdame. Kui me uurime aju oma EEG-masinaga kolba pealt või heal juhul kolba alt, siis mida me ikkagi mõõdame – millised neuronaalsed protsessid neuronite ja võrgustiku tasandil tekitavad neid makroskaala signaale? Juba pikka aega väidavad kõik õpikud ja targad onud, et EEGs kajastuvad suures osas vaid püramidaalrakkude postsünaptilised potentsiaalid, aga igaühel, kes on süvenenud aju elektrofüsioloogiasse, on selge, et see on üks üsna lihtsustatud ja pisut iganenud pilt. Tänapäevase pildi saab Buzsaki jt artiklist.

Journal of Neuroscience’is on hiljuti ilmunud kaks olulist artiklit teadvusseisundi neurokorrelaatide kohta. Mulle väga meeldib soomlaste ja Michael Alkire artikkel “returning from oblivion …”, kus uuriti positronide emissiooni tomograafia abil ajuprotsesse, mis on seotud teadvuse taastumisega pärast üldnarkoosi mõju kadumist. Tore põhjalik töö selles suhtes, et üritati lahendada mitut seniseid töid kimbutanud metodoloogilist probleemi ja kasutati mitut erinevat anesteetikumi (anesteetikumid tekitavad tihtipeale väga spetsiifilisi efekte aju keemias ja füsioloogias, mida võiks siis sassi ajada “tegelike” teadvusseisundi korrelaatidega). Väga värskendavad olid ka tulemused: erinevalt viimaste aastate korteksikesksusest leiti, et teadvuse taastumisega on olulisemal määral seotud subkortikaalsete (ajutüvi, taalamus, hüpotaalamus) piirkondade aktiivsus.

Aga kogu see subkortikaalne lugu jääb jälle ilmselt järgmise töö varju, kus superstaarid Tononi, Laureys ja Friston on ühe töö peal, mida juhtis üliedukas Melanie Boly. Nende töös uuritakse teadvusseisundi kadumisega ja taastumisega seonduvaid ajuprotsesse EEG abil. EEG on ruumis üsna ebatäpne ja mõõdab kolbalt suures osas vaid väga kolbalähedaste ajupiirkondade tööd, kuid üllataval kombel teevad Boly jt oma artiklis suurt juttu ka taalamusest. Täpsemalt järeldavad nad, et taalamus pole otseselt seotud teadvuse kadumise ja taastekkimisega, vaid vajalikeks maagilisteks protsessideks on kortikaalsed tagasisidestatud interaktsioonid. See tulemus sobib hästi kogu peavoolu kognitiivse neuroteadusega – kõik imelised protsessid tekivad võluväel kortikokortikaalsete interaktsioonide tulemusena. (Mida see kursiivis lause tähendab, kas me seda ikka üldse mõõta saame ja kas kogu sellel uurimistööl üldse mingi sügavam mõte on, jääb tihtipeale arusaamatuks.) Aga kuidas need teadlased saavad EEG põhjal midagi öelda taalamuse kohta? Autorid tegid esiteks EEG allikaanalüüsi ja teiseks nende signaalide peal DCMina tuntud mudeldamist, kuhu panid sisse ka taalamuse. Kõlab nagu maagia. Natuke ongi. Olles nende signaalide ja analüüsimeetoditega töötanud, võin öelda, et minu jaoks need meetodid veenvad ei ole ja ma arvan, et selle töö tulemus ei tähenda eriti midagi. Aga erinevalt minust on selle töö autorid kognitiivse neuroteaduse tipptegijad, kes otsustavad seda, mida mõeldakse ja keda avaldatakse, nii et lugege, tsiteerige, uskuge.

Kui keegi on vahepeal ära unustanud, mis need kvaalid on, siis Ryota Kanai ja Nao Tsuchiya selgitavad seda vaimufilosoofia ja teadvuseteaduse põhikontsepti viimases Current Biology numbris.

Peagi ilmub Current Biologys aga minu arvates üsna huvitav artikkel mu Frankfurti kolleegide poolt. Ühelt poolt on ta huvitav seetõttu, et Pascal Fries on tuntud just oma ajuteaduslike uuringute ja eelkõige “kommunikatsioon koherentsuse kaudu” teooria tõttu, kuid antud artikkel on puhas psühhofüüsika – ei mingit ajukatset, ainult osav arvutiprogramm ja käitumuslikud mõõtmised. Teisalt on artikkel aga huvitav ka oma sisu poolest – autorid näitavad oma artiklis, et tähelepanu töötleb (antud juhul visuaalset) informatsiooni rütmiliselt, umbes 4-10 Hz taktis.

Noor ja hoogu täis ajuteadlane Bradley Voytek on tükk aega nuputanud, kuidas paremini hakkama saada kogu selle teabega, mis on aju kohta erinevates andmebaasides. Koos oma abikaasaga on nad leiutanud, kuidas kogu seda informatsiooni otstarbekamalt tänapäevaste andmekaeve meetoditega lahti muukida. Lõpuks, pärast pikka punnitamist, on nende artikkel vastu võetav ja ka tasuta kätte saadav. Paistab üsna nupukas meetod olema, aga eks ka teadlane meetodi taga peab olema taibukas, et sealt midagi mõistlikku tuleks.

Ärkveloleku kestus tõstab ajukoore erutatavust

Küsimus sellest, mis on une funktsioon – miks me ometi magame? – paelub ilmselt meid kõiki. Me teame, et uni ilmselt on mingil põhjusel vajalik ja viimastel aastatel on tänu Tononi ja Cirelli teooriale ja uurimistööle olnud ka lootust, et me suudame leida põhjuse, miks uni vajalik on. Hiljuti õnnestus nende uurimisrühmal lisada puzzlesse veel üks sobiv tükike: nad näitasid TMSi ja EEG abil, et unedeprivatsiooni ja pikaaegse ärkveloleku tõttu tõuseb inimeste ajukoore erutatavus. Jaan-Juhan Oidermaa kirjutab Teadus.ERRis sellest tööst ja nendest tulemustest pikemalt.

Ma tean, mida Sa unes teed!

Aitäh Madisele, kes võttis kokku värske artikli sellest, kuidas kirkaid unenägusid kasutati unenägude sisu väljalugemiseks:

Kui hiljuti oli siin blogis juttu sellest, kuidas eksperimentaatorid võiksid teada, mida sa unes näed, siis seekordset teadussaavutust võiks kasutada peilimaks välja, mida sa unes teed.

Current Biologys peagi ilmavalgust nägevas artiklis kutsuti saksa teadlaste poolt kokku käputäis aastatepikkuse kogemusega “kirgaste unenägude” entusiaste ning paluti neil laboritingimustes unenäos viibides oma rusikaid kokku pigistada. Erinevalt varasematest analoogsetest katsetest magasid katseisikud lisaks EEG külge ühendatuna kas fMRI-s või koos NIRS aparatuuriga, millega ajutegevust kuvati. Huviorbiidis oli magajate sensomotoorne korteks ehk piirkond, mis vastutab liigutuste planeerimise ning täidesaatmise eest.

Katsetulemusi analüüsides leiti ilmselt küllaltki väheüllatuslikult, et unenäos rusika kokkupigistamine tekitab väga sarnase (kohati veidi nõrgema) aktivatsiooni ärkvelolekus toimunule. Küll aga leiti huvitav erinevus aktivatsiooni ulatuses – magava katseisiku fMRI “laiguke” oli oluliselt spetsiifilisem ehk kitsamalt lokaliseeritud, kui ärkvelolekus tehtud reaalse kontroll-katse ajupilt. Unenägude “pealtkuulamise” täpsuse vaatepunktist kindlasti kasulik nähtus! Samalaadsed tulemused saadi ka NIRS andmetega.

Vasakus tulbas reaalne rusikapigistus ärkvel olekus, paremas unenäo-liigutus. Ülemisel real NIRS andmed, alumisel fMRI tulemused.

Nagu pea kõigi kirgaste unenägudega seotud katsetega, kummitab ka käesolevat tööd üks suur miinus – katseisikute vähesus. Antud eksperimendis saavutasid kuuest kogenud kirgaste unenägude kogejast laboritingimustes arvestatava kirka unenäo staadiumi vaid kaks. Nagu ka autorid ise tunnistavad, on sisuliselt tegemist kahe juhtumiuuringuga, mille tulemusi tuleks käsitleda väga esialgsetena. Sellest hoolimata võib nendest tulemustest näha, et meetod töötab – kirgaste unenägude kogejate abil on võimalik uurida erinevate unenägude aluseks olevaid neuronaalseid protsesse! Kindlasti on lähiaastatel oodata rohkem sarnaseid katseid ja põnevaid tulemusi! Lisaks näitavad need tulemused üsna veenvalt, et aju välimisi kihte uurides on NIRS tehniliselt üsnagi võrdväärne fMRI-ga, lubades teoreetiliselt sarnaseid katseid juba praegu läbi viia ka Tartu Ülikoolis.

Allikas:
Dresler et al., Dreamed Movement Elicits Activation in the Sensorimotor Cortex, Current Biology (2011).

Une mõjutamine valgussignaalide abil

Uni on väga põnev nähtus, mille neuronaalsete aluste mõistmine aitab meid kindlasti sammukese ka teadvuse probleemi lahendamiseni. Millised ajupiirkonnad ja -protsessid on seotud unega? Klassikaliselt seotakse uneseisundi kontrolliga mitmeid erinevaid neuronikogumeid (ehk tuumasid) ajutüves. Sealt lähtuvad juhtteed mõjutavad ajukoort atsetüülkoliini, serotoniini ja noradrenaliini kaudu. Atsetüülkoliini on alati seotud teadvusseisundiga ning hiljutine uurimistöö näitas, et noradrenaliin võib atsetüülkoliinist veelgi tähtsam olla, kuid tegelikult selgub kirjandusse süübides, et une-ärkveloleku vahetumist kontrollivad teisedki ained ja teisedki rakukogumid. Kõige olulisemad neist näivad olevat hüpotaalamuses, kus paiknevad näiteks hüpokretiini / oreksiini tootvad neuronid.

Just need neuronid on tänase postituse peategelased, sest kahes hiljuti ilmunud elegantses töös rakendasid teadlased optogeneetilisi meetodeid, mõjutamaks nende neuronite tööd. Optogeneetilised meetodid seisnevad selles, et teadlased saavad valgussignaalide abil mõjutada eelnevalt geneetiliselt modifitseeritud neuroneid, neid kas vaigistades või aktiveerides. Selline lähenemine võimaldab uurida erinevate neuronipopulatsioonide otsest mõju erinevatele ajuprotsessidele. Täna tutvustavates töödes kasutati neid meetodeid, et mõjutada hüpokretiini / oreksiini neuroneid ning seeläbi katselooma kas äratada või hoopis magama panna. Põhimõtteliselt tähendab see tõepoolest seda, et loomakeste hüpokretiini / oreksiini neuroneid valgustati erineva valgusega ja see erinev valgus töötas nagu „uni sisse – uni välja“ lüliti. Kui see kõik kõlab huvitavalt ja uudselt, siis vaadake varem blogis viidatud videoloengut nende meetodite kohta.

Stanfordi ülikooli teadlasterühmal õnnestus näidata, et kui une ajal hüpokretiini / oreksiini neuroneid optogeneetiliselt lühikeseks ajaks aktiveerida, oli hiirtel raskem järgmisel päeval eelnevalt õpitud ülesannet lahendada. Teadlased tõlgendasid seda tulemust sellega, et une „killustamine“ hüpokretiini neuronite mõjutamise abil takistas eelmisel päeval kogutud teabe edukat talletamist, mis tähendab teisisõnu seda, et mälusisude talletamiseks on tarvilik järjepidev uni. Pikemalt on sellest tööst kirjutatud ERRi teadusuudiste portaalis. Teises samalaadses töös tegid Jaapani teadlased vastupidise käigu: nad mitte ei aktiveerinud hüpokretiini / oreksiini neuroneid optogeneetiliselt, vaid vaigistasid neid sama meetodi abil. Ja mis juhtus? Nagu võiks oodatagi, langesid katseloomad hüpokretiini / oreksiini neuronite vaigistamisel sügavasse unne. Huvitaval kombel oli see efekt siiski sõltuv hiire päevasest tsüklist: vähemaktiivsel ajal oli optogeneetiline mõjutus tõhus ja hiired langesid sügavasse unne, kuid see efekt ei ilmnenud siis, kui hiired olid aktiivses olekus (öösel). See tulemus näitab veelkord seda, et hüpokretiin / oreksiin ei ole ainus aine, mis on tarvilik ärkveloleku seisundi alalhoidmiseks – tema mõju pidurdamisel ei ole mingit tagajärge hiire aktiivse perioodi jooksul, kus ärkvelolekut toetavad ka teised mehhanismid. Otse loomulikult jääb ka võimalus, et teadlaste optogeneetiline manipulatsioon polnud piisav, et vaigistada kõiki hüpokretiini / oreksiini neuroneid.

Loodetavasti tehakse sarnaseid katseid peagi ka samuti hüpotaalamuses pesitsevate histamiini neuronitega, sest just need näitavad aju neuronitest kõige spetsiifilisemat seost ärkvelolekuga – kui katseloom on ärkvel, siis need rakud laenglevad hooga, kui katseloom magab, siis need rakud on vait ning alustavad taas laenglemist vaid mõned hetked enne katselooma ärkamist. Muuseas, histamiini mõju kohta võite küsida ka igalt tuttavalt, kes on oma allergia raviks kasutanud antihistamiinikuid – lisaks sellele, et kaob sügelus, nohu või muu allergia väljendusviis, muutub inimene pärast tableti sissevõtmist ka väga uniseks (ja uni öösel on raskem ning ärgata on veelgi keerulisem kui tavaliselt). Mind ennast alati hämmastab see, kui palju erinevaid neurobioloogilisi mehhanisme on aju seisundi reguleerimiseks. See kas tähendab, et aju seisundi kontrollimine on midagi väga olulist, või siis lihtsalt seda, et me veel täpselt ei saa aru, millest see mehhanismide mitmekesisus tuleneb.

Allikad:
Rolls jt (2011) Optogenetic disruption of sleep continuity impairs memory consolidation. PNAS
Tsunematsu jt (2011) Acute optogenetic silencing of orexin/hypocretin neurons induces slow-wave sleep in mice. Journal of Neuroscience