Arhiiv

Archive for the ‘erilised teadvusseisundid’ Category

Ärkveloleku kestus tõstab ajukoore erutatavust

veebruar 28, 2012 1 kommentaar

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.

Advertisements

Ma tean, mida Sa unes teed!

oktoober 30, 2011 3 kommentaari

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

juuli 27, 2011 1 kommentaar

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

Üldnarkoosi uurimine heidab valgust teadvuse neuronaalsetele alustele

juuli 15, 2011 Lisa kommentaar

Teadvuse probleem on piisavalt krõbe, et teda mitte alahinnata: kui me tahame mõista seda, mis on teadvus ja millised ajuprotsessid on teadvuse jaoks tarvilikud, siis tasub teadvust kui uurimisobjekti vaadelda mitmest eri suunast. Üks lähenemisviis on uurida, missugused ajuprotsessid eristavad katsekordi, kus stiimulit teadvustati, nendest katsekordadest, kus seda ei tehtud. Kuid sellises olukorras on katseisik ju mõlemal juhul teadvusseisundis, mistõttu paljud ongi endalt ja teistelt küsinud, kui palju selline lähenemisviis meile ikkagi teadvuse kohta ütleb. Osati seetõttu ongi viimastel aastatel üha enam esile kerkinud ka teine suund – uurida erinevusi teadvusseisundite vahel. Kõige lihtsam manipulatsioon, mille meist igaüks oma teadvusega ette võtab, on magamine, kuna teatud unefaasides teadvuselamus puudub. Teadvusseisundit saab aga mõjutada ka kontrollitumalt: andes katseisikule anesteetikumi, kaob ta teadvus. Niisiis saame tekitada teadvusseisundi kõrvale mõne keemilise kokteili abil ka teadvuseta seisundi, et küsida, missugused erinevused on mõõdetavad ajuprotsessides, kui katseisik on kas teadvusseisundis või üldnarkoosi all.

Anthony Hudetz on üks nendest teadlastest, kes on viimastel aastatel üritanud sellele küsimusele vastata ja kahtlemata on tema tööd toonud palju huvitavaid fakte teadvuseteaduse jaoks. Nii näiteks on ta oma kolleegidega korduvalt näidanud, et gamma-ostsillatsioonid võivad üldnarkoosi all teatud tingimustes olla hoopiski tugevamad kui teadvusseisundis. See tähendab otse loomulikult, et lihtsad ideed selle kohta, et gamma-ostsillatsioonid on teadvuseloleku tähis, ei saa kuidagi tõele vastata. Seega on Hudetzi tööd aidanud muuhulgas kaasa ka sellele, et tänapäeva ajuteadlased mõtlevad gamma-sagedusribas toimuvate protsesside üle põhjalikumalt ja kriitilisemalt, mitte nii nagu teatud perioodidel, kus gamma-sageduslikke võnkeid seoti pikalt mõtlemata teadvuse, tähelepanu, sõlmimisprotsesside ja praktiliselt kõige muu huvitavaga.

Käesolev töö, mis ilmus hiljuti ajakirjas Anesteshiology, lisab kogu sellele arutlusele veel ühe dimensiooni. Nimelt on antud tööst välja kooruv kõige olulisem uus fakt see, et gammasageduslik aktiivsus võib olla teadvusega seotud küll, kuid see seos ilmneb vaid siis, kui uurida gamma-sagedusribas toimuvaid protsesse, mille sagedus on kõrgem kui klassikalistel (ca 40 Hz) gamma-ostsillatsioonidel. Lisaks sellele, et uuriti laiemat sagedusriba kui senini, tasub mainida, et selles töös uuriti spontaanset aktiivsust, st katseloomadele ei esitatud mitte stiimuleid, vaid mõõdeti nende ajus „niisama“ toimuvat, ning lisaks on oluline teada, et mõõtmisi tehti mitte ainult ühest ajupiirkonnast, vaid korraga frontaalsest korteksist, visuaalsest korteksist ja hippokampusest. Katse ise seisnes selles, et seitsme roti vastavatest ajupiirkondadest mõõdeti lokaalseid väljapotentsiaale, samal ajal kui rottidele manustati õhusegus anesteetikum isofluraani, mille kogust suurendati järk-järgult. Analüüsiti 3-6 minuti pikkuseid andmejuppe, millele rakendati tavapäraseid sagedusanalüüsiks loodud meetodeid. Uuriti anesteetikumi mõju gammasageduslikule aktiivsusele, kusjuures gammasageduslik aktiivsus oli jagatud kaheks: madal klassikaline gamma (30-50 Hz) ja kõrge gamma (70-140 Hz).

Leiti väga selge tulemustemuster: klassikalises gamma-sagedusribas (30-50 Hz) ei omanud anesteetikum ja selle doosi suurendamine mitte mingit mõju, samas kui kõrge gamma (70-140 Hz) järgis väga täpselt roti üldnarkoosi tugevust, olles kõigis kolmes ajupiirkonnas madalaim siis, kui anesteetikumi doos oli suurim, ning kõrgeim siis, kui loom oli ärkvel. Ehk siis, teisisõnu, klassikalises gamma-sagedusribas toimuv aktiivsus ei olnud seotud teadvusseisundiga, samas kui kõrgesageduslik gamma aktiivsus oli hea indikaator teadvusseisundi jaoks. (Otse loomulikult võib arutleda selle üle, kas rottidel üldse on teadvusseisund või mitte, kuid lähtun siin kirjelduses autorite enda sõnastusele ja terminoloogiale – Hudetzil ei näi olevat kahtlust, et me võime roti erinevaid ajuseisundeid uurides saada tõepoolest teadmisi ka teadvusseisundi kohta.)

Seega mingil põhjusel on teadvus seotud just kõrgesagedusliku gamma-aktiivsusega. Lugedes Hudetzi jt tööd võib kujuneda arusaam, et see kõrgesageduslik gamma-aktiivsus on tõepoolest ostsillatsioon, kõrgesageduslik rütm, mis koordineerib ajupiirkondade sisest ja nende vahelist tööd. Kuid, nagu ma juba mitmes eelnevas postituses toonitanud olen, on üha enam esile kerkimas arvamus, et sellises sagedusribas (70-140 Hz) ei mõõda me tegelikult mitte aju rütme, vaid mitterütmiliste protsesside töö tulemusena tekkivaid signaale, mis esialgu jätavad mulje, justkui oleksid nad rütmilised. Minu enda teadustöö on mind viinud lähemale arusaamale, et see, kui mingi protsess avaldub aeg-sagedus teisenduse tagajärjel gammasagedusliku protsesssina, ei tähenda sugugi, et ta päriselt, ajus, peakski olema rütmiline gammasageduslik protsess. Hetkel näib olevat üsna hea tööhüpotees see, et selline kõrge gamma sagedusribas mõõdetav aktiivsus väljendab lihtsalt elektroodi all neuronite laenglemise tulemusena tekkivaid mitterütmilisi postsünaptilisi potentsiaale. Selle idee jaoks on kogutud ka korralikku tõendusmaterjali (ehkki arutluse lõplik lahendus seisab veel ees) ning koos minust targematega oleme isegi modelleerimise abil leidnud, et tõepoolest – palju palju mitterütmilisi postsünaptilisi potentsiaale võivad tekitada summeerudes protsessi, mida tavapärase aeg-sagedus teisenduse abil võiks pidada gamma-rütmiks.

Niisiis, ehk on põhjust kaaluda võimalust, et antud töö ei näita mitte seda, et gamma-ostsillatsioonid on seotud teadvusseisundiga, vaid et teadvusseisund on lihtsalt seotud tugevama neuronaalse aktiivsuse ja neuronipopulatsioonide laenglemisega. Muidugi kõlab see pisut „igavamalt“, kuna gamma-rütmid justkui sisaldaksid mingit mehhanismi, kuidas aju võiks töötada (ehkki see „mehhanism“ on hiljuti korduvalt kahtluse alla seatud), kuid teaduse eesmärk ei ole mitte pakkuda välja võimalikult „ägedaid“ selgitusi fenomenidele nagu teadvus (sel juhul võiks ju siiski pöörduda kvantfüüsika poole!), vaid lihtsalt aru saada, kuidas üks või teine nähtus looduses toimib. Kui teadvus on seotud tugevama neuronite laenglemisega, siis tuleb küsida, miks see nii on. Ja tegelikult pakuvad eelnevad teadustööd meile juba ka potentsiaalse vastuse: teadvuseta seisund on seotud laiade neuronipopulatsioonide perioodilise aktiivsuse puudumisega, kus antud neuronigrupid on mõneks hetkeks praktiliselt vait ja ei laengle; kui arvesse võtta seda, et ärkveloleku (teadvuse) seisundis sellised vaikimisperioodid puuduvad, siis on ju loogiline, et võrreldes omavahel teadvusseisundit ja järk-järgulist üldnarkoosi, leiame, et teadvusseisundis on rohkem kõrget gammat (= rohkem neuronaalset aktiivsust), sest üldnarkoosi all on ju järk-järgult rohkem neid perioode, kus neuronid ei ole aktiivsed. Vaadates sellele tulemusele niimoodi, tuleb teadvuse mõistmiseks ehk sõnastada küsimus hoopis nõnda: millised ajuprotsessid ei saa toimida siis, kui mitmed neuronipopulatsioonid on eri aegadel mõneks hetkeks vaiki? Tononi idee on, et need teadvuse jaoks kriitilised protsessid on kuidagi seotud informatsiooni integratsiooniga, kuid me tahame tegelikult sellest asjast täpsemalt aru saada – mis on informatsioon ajus ja aju jaoks? Kuidas toimub ajus mingite protsesside integreerimine? Mida tähendab ja kuidas teaduslikult mõõta informatsiooni integreerimist ajus? Aga mõistlik oleks kaaluda ka teisi võimalusi ja ideid seoses küsimusega, miks teadvusseisund on seotud suuraju neuronite pideva ühtlase tööga ja miks teadvus kaob, niipea kui see pidev ühtlane töö saab segatud regulaarsete vaikimisperioodide poolt.

Allikas:
Hudetz jt (2011). Differential effects of isoflurane on high-frequency and low-frequency gamma osctillations in the cerebral cortex and hippocampus in freely moving rats. Anesthesiology.

Mängud mina-tundega

mai 28, 2011 5 kommentaari

Eelkõige huvitab meid siin teadvuse mõistatus, kuid sellega vahetult seotud on ka “mina”-mõistatus – kuidas on võimalik, et mingi bioloogiline süsteem ühel hetkel hakkab tundma, et ta on keegi? Seda küsimust on palju uuritud filosoofiliselt ning ajuteaduslikud kompamised on seni olnud pigem puudulikud, kuid viimastel aastatel on tänu virtuaalse reaalsuse tehnoloogiale tehtud olulisi edusamme minatunnetuse eksperimentaalpsühholoogilises uurimises ja manipuleerimises. Viitan antud juhul Ed Yongi maailmakuulsa teadusblogi vastavatele postitustele, kus kirjeldatakse teadustöid, milles näidatakse, et selle tehnoloogia abil on võimalik katseisikutel tekitada illusiooni, mille kohaselt 1) võõras keha on nende oma ; 2) neil on kolm kätt! ja et nad on 3) barbied või hiiglased.

Tegu on ju päris uskumatute illusioonidega, mis viitavad, et meie “mina”-tundega võib juhtuda igasugu huvitavaid nähtusi. Sellised põnevad illusioonid valgustavad ka juhtumeid, kus inimesed väidavad, et nad on oma kehast väljunud. Kui need lood oleksid tõsi ja “midagi” eksisteeriks tõepoolest kehast sõltumatult, siis kuidas saaks teadvus olla ajus? Huvitaval kombel on virtuaalse reaalsuse tehnoloogia abil võimalik katseisikul tekitada ka illusiooni, et ta on oma kehast väljas. Seega aju teeb “mina”-tundega trikke ja vahel on tema trikid nii veenvad, et inimesed ei usugi, et need on trikid või et neid teeb aju. See, et me suudame neid trikke laboris katseliselt taaslavastada, võiks paljusid mitteuskujaid vähemalt mõtlema panna selle üle, et äkki on tõepoolest tegu trikkidega … ja äkki on “mina” ja teadvus tõepoolest ajus.

Huvitavad artiklid: 11. mai 2011

mai 11, 2011 1 kommentaar

On taas aeg kokku võtta mõned viimasel ajal ilmunud põnevad artiklid. Tänased huvitavad artiklid on unenägudest, narkootikumidest ja teadvustamata töötlusest – ühesõnaga kõigile midagi.

Eelmise nädala J Neuroscience numbris ilmus huvitav töö une ja unenägude kohta. Nimelt ei olnud seni keegi väga põhjalikult uurinud, millised ajuaktiivsuse markerid on seotud unenägude nägemisega. See on huvitav küsimus, kuna unenäod on põnevad teadvuselamused – nad näitavad meile, et teadvuse jaoks pole tarvis ei sensoorset sisendit ega motoorset väljundit. Marzano jt leidsid, et unenägude mäletamist ennustab REM unefaasis frontaalne teeta-rütm (4-8 Hz) ja NREM unefaasis temporaalne alfa-rütm (8-12 Hz). Autorid arutavad oma tulemusi eelkõige mälu ja mällu salvestamise kontekstis, kuid tegelikult võiks neid tulemusi sama hästi vaadata ju ka unenägude kui teadvuselamuste neurokorrelaatidena (ehkki, muidugi, nii ärkvel kui ka unes olles on millegi teadvustamine ja selle mällu talletamine omavahel tihedalt seotud)

Rufin VanRullen on noor teadlane, kelle üheks peamiseks ideeks on see, et teadvus koosneb “kaadritest” – ta näib meile “sujuva, ühtlase filmina”, kuid tegelikult on (nagu film telekas või kinolinal) koosnev üksikutest kaadritest. tugeva ajakirja Plos Biology “lahendamata mõistatuse” sektsioonis kirjutab ta “visuaalsete jälgede” fenomenist, mis väidetavalt tekib eelkõige LSD tarbimisel ja kujutab endast objektide sujuva liikumise muutumist kaadriteks – justnagu diskosaalis. Autorid kirjeldavad seda väheuuritud fenomeni oma vabalt ligipääsetavas artiklis ja rõhutavad, et selle nähtuse uurimine võib anda meile olulisi teadmisi taju ja teadvuse neurobioloogiliste mehhanismide kohta. Kahjuks on eksperimentaalset poolt vähe, kuid see on huvitaval kombel tehtud LSD tarbijatega anonüümse internetiküsitluse teel – vaadake seda netiuuringut ise!

Miks meile teadvus, kui teadvuseväline töötlus suudab hakkama saada nii paljude funktsioonideta ja nagu nimetus juba ütleb … täitsa teadvuseta! Näiteks kirjutasime tööst, kus patsient suutis vähimagi koperdamiseta kõndida takistusi täis olevas toas, ilma et ta neid takistavaid objekte teadvustanud oleks. On argumenteeritud, et teadvus on “informatsiooni integreerimiseks” – ainult teadvustatud nägemises on kokku pandud informatsioon erinevatelt objektidelt või objektilt ja taustalt, teadvusevälises töötluses on objektid üksteisest sõltumatud. Aga kas on ikka nii? Teaduse võlu on see, et selliseid väiteid saab testida. Mudrik jt seda oma küllaltki kaunis töös tegidki. Töö avaldati ajakirjas Psychological Science ja tulemus oli … täpselt nii nagu võisitegi oodata – ka teadvusevälises töötluses toimub informatsiooni (antud juhul objekti ja ta tausta) integreerimine. Mis jääb siis üle teadvuse jaoks?

Ärkveloleku neurobioloogilised alused

märts 30, 2011 2 kommentaari

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.