Neurobioloogias kasutatud uurimismeetodeid

Siin olen loetlenud varem viidatud uuringutes kirjeldatud uurimismeetodeid.

Ajuosade vaheliste ühenduste leidmisel kasutatakse tänapäeval tavaliselt värvainete süstimist mingisse närvisüsteemi osasse, misjärel lastakse neil mõnda aega levida. Nendeks aineteks on enamasti mädarõika peroksidaas (horseradish peroxidase), mis paistab kõige tavalisemana ja ultraviolettvalguses nähtavat FluoroGold'i. Need suudavad levida närviimpulsi liikumissuunast sõltumatult ühest raku otsast teise. Umbes sajandivanuse meetodina, mida ka vahel tänapäevastes artiklites leiab, süstitakse värvi asemel viirust vastavasse kohta. Levinumatena paistavad herpese ja marutõve viirused.

PET (positron emission tomography) puhul antakse patsiendile kiiresti lagunevaid radioaktiivsete isotoopidega molekule.

Nende lagunemisel kiirgub esialgu positron, mis on antimateeria versioon elektronist. Kui positron kohtub elektroniga toimub mõlema lagunemine ja tekib 2 vastassuunas liikuvat gammakiirguse footonit. Patsiendi ümber olev sensorite rõngas tuvastab kokkupuuted nende gamma footonitega. Samaaegselt ringile jõudnud signaalide järgi tuletatakse isotoobi lagunemise koht kehas.
PET skänner võimaldab vigastamata inimeste retseptoritega seondumist võrrelda rakku kogunemise järgi. Need ained püsivad mingi aja retseptori küljes ja ka kaootilisema kehas liikumise võimalusel kogunevad need peamiselt oma retseptorite juurde, kus need lagunemisel radioaktiivse kiirguse eritamisel võimaldavad keskmise allikkoha leida. Lisaks võimaldab see aju glükoosi tarbimist vaadelda andes radioaktiivset glükoosilaadset ainet, mis koguneb suuremas koguses rohkem glükoosi vajanud piirkondadesse.

CT (computed tomography) skännerid kasutavad paljusid eri nurkade alt tehtud röngtenpilte, et luua täpsem kujutus kehapiirkonnast või 3D pilt sellest. Üldiselt kasutatakse tänapäeval aju ehituse vaatamiseks MRI skännereid. CT suuremaks miinuseks on tavalise röngtenpildiga võrreldes kuni kümneid kordi suurema ioniseeriva kiirgusdoosi saamine, mis võib kaasa aidata kasvajate tekkele.

MRI skännerid kasutavad tugevat magnetvälja, et mõjutada keha aatomites olevaid prootoneid. Magentvälja lõpetamisel kiirgavad need aatomid elektromagneetilist kiirgust sensorite jaoks.

Diffusioon MRI puhul võrreldakse vee liikumist eri ajahetkedel ja närvisüsteemi uurimisel võimaldab see visualiseerida aksonites toimuvat vee liikumist. Nii saab kaardistada närvikiude elusates ja tuvastada vigastusi, mille juures sellised jooned katkeksid.

Funktsionaalse MRI (fMRI) puhul mõõdetakse muutusi verevoolus ja hapniku tarbimises. Hemoglobiin on hapnikuga seondunult erinevate magneetiliste omadustega, kui hapnikuta olekus. See suudab eristada suhteliselt suurema ja väiksema verevooluga piirkondi ning neid visualiseeritakse värviliste laikudena tavalise MRI pildi peal. Mitmetes uuringutes on mainitud kuupmillimeetrist täpsust visualiseerimisel.

Ka rangemalt reguleeritud psühhotroopsed ained nagu kokaiin ja heroiin on uuringuteks lubatud. Osad firmad müüvad neid oma lehekülgedel (1 näide) loaga ostjatele. Uuringus nimetatakse alati seda firmat ja võib-olla sellise kohustusliku äranimetamise pärast antakse neid aineid vahel tasuta uuringute jaoks. USAs võib neid saada ka valitsuse asutusest NIDA (National Institute on Drug Abuse).

Eksperimentides, kus süstitakse aineid mingisse kindlasse aju osasse või uuritakse neurotransmitterite taset, lisatakse operatsiooniga eelnevalt peenike kateeder vastavasse piirkonda ja lastakse loomadel paar päeva või nädalat taastuda operatsioonist enne katse algust. Pisikese ainekoguse süstimisel aktiveeritakse peamiselt süstekoha lähiümbrust, kuid täpsem leviku ulatus sõltub aine omadustest nagu molekuli suurus ja rasvlahustuvus. Süstimisel vähem levivad ained on näiteks kõik näljahormoonid ja paljud immuunsüsteemi poolt saadetud signaalhormoonid. Kergemini levivad väikesed molekulid nagu serotoniin, dopamiin ja noradrenaliin.

Spetsiifilisi neurotransmittererid sisaldavaid rakke saab tappa rakule mürgise saporiini kombineerimisel neurotransmitteriga. Neurotransmitterit tagasi võtvad transportvalgud võivad põhjustada ka saporiini raku sisse transportimist.

Neurotransmitterite vabanemist saab jälgida aeglaselt rakuvälise vedeliku kogumisega, mida nimetatakse ka mikrodialüüsiks. Sellisel juhul on kateedris jäetud ruumi asendusvedeliku sisse juhtimiseks. Inimeste puhul mäletan seni ainult ühte mikrodialüüsiga aju uuringut.

Loomade puhul lõpetatakse mikrodialüüsi, ajusse süstimise ja ajusisese elektroodiga uuringud loomade hukkamisega, et sisestatud kateedri või elektroodi täpse asukohta üle kontrollida.
Näriliste puhul on hukkamisel eetikanõuete järgi lubatud kaela murdmine või pea maha võtmine ning umbes pooltel juhtudel olen lugenud eelnevat narkoosi kasutamisest. Ahvide ja primaatide hukkamisel on eelnevalt alati paistnud tugeva narkoosi (tavaliselt ketamiin või barbiratuurid) kasutamist.

Elusaid ajuviile või tükke on eraldi vaadeldud näiteks spontaanse tegevuse, neurotransmitterite, liigse süsihappegaasi ja psühhotroopsete ainete kohaliku toime uurimiseks. Sellisel juhul eemaldatakse steriilses keskkonnas soovitud aju piirkond pärast aju eemaldust ja pandakse see "kunstlikusse selgroovedelikku", mis on kehatemperatuuri ja -soolasusega toitaineid sisaldav vedelik, millest 92% hapniku ja 8% süsihappegaasi segu läbi voolab. Kui need tükid on paari päeva pärast elus ja nakkuseta, siis alustatakse katset nagu elektrilise tegevuse mõõtmist või koostise (retseptorite hulk, c-FOS, neurotransmitterid jne.) analüüsi.

EEG puhul pandakse elektroodid peanaha pinnale, et nendeni jõudnud aju elektrilist tegevust mõõta. Miinusena on sellel meetodil raske täpset elektrilise tegevuse allikat piiritleda, kuid see sobib hästi epilepsia ja domineerivate ajulainete tuvastamiseks. Kui elektrood tuvastab väga suure laineamplituudiga tegevust näitab see, et paljud neuronid on korraga impulsi tekitanud. Sellised korraga tööle hakkamised esinevad pigem vähem teadvusel olles. Näiteks sügava une ajal domineerivad delta sagedusel (0,5-4 Hz) ajulained. Tänapäeval filtreerivad programmid uuritud vahemikus ajulained välja, kuid madalasageduslikku tegevust suudeti silma järgi kogutegevuse EEG'lt juba selle esimeste EEG kasutuselevõtjate poolt eristada.
Teadvusel oleku sümptomiks EEG'l kaldub olema gamma sagedusel tegevus, mis võib olla 30 kuni üle 100 Hz. Rahustid kalduvad aeglasemaid ajulaineid ilmsemaks tegema.

EEG'st täpsemat vaatlust saab teha ajusse paigutatud elektroodidega, mille elektrit juhtivad otsad on tihti nii väikesed, et eletkrilist tegevust saaks ühes või paaris rakus mõõta. Kuna üksikud närvimpulsid on sama tugevat aktiivsust tekitavad sõltumata sagedusest, siis saaks kaugemal olevate nõrgemate impulsside tegevuse programmi poolt välja filtreerida. Elektrilisele tegevusele avatud isolatsioonita kohti võib elektroodil mitu tükki reas olla. Samu elektroode võib kasutada ka elektri juhtimiseks ajusse ning võib valida millist elektroodil avatud piirkonda seda juhtida.

Inimestele on elektroode ajusse lisatud mõne ravimitele allumatu häire korral nagu liikumis- ja valuhäirete korral. Üksikjuhtudel ka kuklasagarale primitiivse nägemise taastamiseks. Kui operatsiooni käigus kahjustused välja jätta, siis ei paista nende kasutamisel senisel kujul kahjustusi ja stimulatsioonikohtade suremist üleaktiivsuse või immuunsüsteemi poolse rünnaku tõttu. Samas võib stimulatsioon sarnaselt stimuleerivate neurotransmitteritega eksitotoksilisuse tõttu rakke tappa ning sagedasel stimuleerimisel võib toime sarnaselt psühhotroopsete ainetega ajutiselt nõrgeneda või kaduda. Elektriline stimulatsioon ise võib sagedusest ja kohast sõltuvalt mõjuda piirkonda tavamõju osas aktiveerivalt, kuid tihti ka tegevust takistavalt.
Kasutatud voltidest sõltub, kui kaugel olevaid rakke stimuleeritakse. Tavaliselt kasutatakse alla 3 voldi ja ~2,5 voldine stimulatsioon aktiveerib umbes 2,5 mm raadiuses olevaid rakke, kui jätta välja stimuleeritud rakkude poolt mõjutatud rakud.

Hetkel tunduvad teadvuse tundmiseks lisaks ühenduste ja kahjustuste tagajärgede kirjeldamisele kasulikumad sellised artiklid, mis mõõdavad elektrilist tegevust kindla tegevuse ajal nagu puudutuste ajal sensoorses närvis või maitsetajul keelenärvis ja samuti need, kus kindla vahemikuga stimulatsioon suudab ettearvatavat reaktsiooni põhjustada. Selliseid ei leia kergesti, kuid nerve recording paistab ühe parema otsingusõnana neile.

Transkraniaalse magneetilise stimulatsiooni puhul paigutatakse kolju juurde juhe, millest juhitakse korraga läbi sellisel hulgal elektrivoolu, et voolu ümber tekkinud magnetväli suudab ajurakke aktiveerida või vähemalt nende impulsiteket mõjutada. Sellise mitteinvasiivse ajutegevuse mõjutamise miinuseks on aktiivsuse muutus laial aju piirkonnal ja see, et aktiveeruvad ettejäänud neuronid nahas ja aju katvates kihtides, mistõttu võib tunda staatilise elektri tunnet nahal või ka valu, kuid kohaliku tuimestuse kasutamisel võib seda kõrvalnähtu leevendada.

Immunohistokeemia on molekulaarbioloogias üheks tavalisemaks uurimismeetodiks, kus kasutatakse ultraviolettvalguses helendavaid antikehasid, mis kinnituvad kindlate molekulide külge.
Antikehasid võib luua peaaegu igasuguste molekulidega kinnitumiseks nagu allergiad demonstreerida võivad. Tõenäolisemalt tekivad need valkude ja peptiididega seondumiseks, kuid uuringute jaoks on loodud ka väiksemate molekulidega, nagu morfiiniga, seonduvaid antikehasid. Iga antikeha kiirgab erineva lainepikkusega valgust ja erinevate värvide välja filtreerimisel saab samades rakkudes olevate erinevate antikehade asukohti visualiseerida.
Näiteks saab neid kasutada apoptoosivalkude (toksilisuse hindamisel), neurotransmitterite, c-FOS, retseptorite jne. hulga visualiseerimiseks. Kasutatakse antikehasid, mis seonduvad spetsiifiliselt vaadeldud molekuliga ja tekitavad ultraviolettvalguses erinevat värvi. Markermolekulide tuvastamisel saab ka värvida erinevaid rakutüüpe, mis muidu oleks silmaga eristamatud olnud. Neurotoksilisust kontrollinud katsetes on näiteks märgistatud valke, mis esinevad spetsiifilisemalt enesetappu minevates rakkudes.

Pikaajalist aktiivsuse muutust saab leida c-FOS hulga immunohistokeemilise mõõtmisega rakkudes, mis tõuseb suurema aktiivsusega. Lühiajalisi muutusi sellega ei otsita, kuid see sobib tunde/päevi kestnud katsete puhul ning tavaliselt kasutatakse seda täiendusena pärast käitumise ja elektrilise aktiivsuse jälgimist. Selle kogust on uuritud näiteks pärast unepuudust, alatoitumist, janu või psühhotroopsete ainete saamist ning võrreldakse kontrollgrupiga, mis sai neutraalsemas keskkonnas elada.


Katseloomadeks sobivad mingil määral kõik selgrootud ja selgroogsed olendid. Neurotransmitterid ja nende retseptorid on suures osas ühised nii ussidel, putukatel kui imetajatel.
Selgroogsetel kaladest imetajateni on omaseks sarnase üldehitusega aju ehitus, mis sisaldab selgroonärvi, ajutüve, cerebellum'it, ajukoort koos kolju tagaosas asuvat nägemisalaga, taalamust, hüpotaalamust, ajuripatsit ja ajukoore esiosa juures asuvaid haistesibulaid. Mälus osaleb kõigil selgroogsetel umbes imetajate hippokampuse piirkonda jääv ajukoore alumine keskmine piirala. Ka basaalganglia paistab selgroogsetel roomajatest imetajateni olemas olevana.

Kahjustuste tekitamiseks katseloomadel kasutatakse operatsiooni ajal kirurgilist lõikamist, tugevat elektrivoolu või glutamaadi retseptorite agoniste (NMDA, glutamaat, naatriumglutamaat), mis panevad neuroneid üleaktiivsuse tõttu enesetappu tegema. Kuna glutamaadi retseptorid on kaltsiumit rakku laskvad kanalid ja iga närviimpulss põhjustab omakorda kaltsiumi sissevoolu aktiveeruvad teatud kaltsiumitaseme saavutamisel programmeeritud enesetappu põhjustavad valgud, mis muuhulgas liigse kaltsiumitaseme tõttu aktiveeruvad.

Geneetliste muudatuste läbiviimiseks kasutatakse tavaliselt viiruseid. Osad viirusnakkused jätavad jäädavama jälje genoomi, mis järglastele pärandub, ja suur osa inimese DNA'st paistab viiruste genoomide all olevana. Ühe allika järgi koosneb 8% inimese genoomist retroviiruste DNAst ja inimese enda geenid katavad üldise arusaama järgi ~1,5% DNAst. Viiruskapslites on tihti ruumi lisa DNA lisamiseks ja seda on geneetilisel moondamisel ära kasutatud. Osad viirused sisenevad suvalisse DNA piirkonda, kuid knock-out mutatsioonidel sobivad rohkem sellised viirused, mis sisenevad kindla järjestusega DNA piirkonda. Kuna osade katseloomade (hiired ja rotid) ja inimeste genoomist on lisaks teistele geenidele teada retseptorite geenid luuakse retseptori rikkumiseks viirused, mis siseneks ainult retseptori piirkonda, rikkudes sellega toimiva valgu sünteesi. Kui saada viljastatud munarakk, kus vastavat retseptorit või neurotransmitterit tootvat valgu geeni pole, saab sellest tihti elujõulise isendi, kelle ükski rakk neid valke toota ei suuda. Mõnikord on seejärel kasutatud knock-in mutatsiooni, kus kindlasse aju piirkonda süstitakse viirust, mis sisaldab näiteks retseptori geeni ja kuna kasutatud viirused ei paljune ajus agressiivselt edasi, siis saab panna spetsiifiliselt selle piirkonna rakke mingil määral vastavat geeni ekspresseerima. Retseptorite geene saab lisada ka teiste kudede rakkudele nagu näiteks söötmel elavatele inimeste neerurakkudele.

Valge mateeria kimbud

Valisin selle teema, et suuremate aksonikimpudega ajus tutvuda ning uut meeldejäävat infot tuli ette, aga mitte palju.
Valgeks mateeriaks loetakse peaaegu ainult aksoneid sisaldavaid piirkondi, nagu näiteks ajukoore ja limbilise süsteemi osade vahel ning selgroonärvi ümber, millega kaugemad närvisüsteemi osad omavahel suhtlevad. Aksonid toimivad enamasti neuronite signaali edasi andva osana ja nende sihtmärkideks närvisüsteemi sees on tavaliselt hall mass ehk neuronite signaale vastu võtvad (tavaliselt) dendriidid ja neuronite rakukeha.


Ajukoore eri osade vahel






Arcuate fasciculus (AF) ühendab loetu või kuuldu mõistmiseks vajalikku Wernicke ala kõnelemislihaste kontrolliks vajaliku Broca alaga. AF kahjustusega raskeneb kuuldu kordamine ja tekib rohkem vigu spontaanselt loodud lausetes kuigi võidakse aru saada, et tehakse vigu.

Uuriti reesusahvi prefrontaalse korteksi ühendusi teiste ajukoore aladega süstides värvi kõige otsmikupoolsema ajukoore sisse. Kuklapoolsete aladega oli 3 suuremat ühendust.
Pea külgedel olevad ühendused jõudsid läbi insula lähiümbruse (extreme capsule) kaudu auditoorsetele korteksile ja temporaalsagara paljude meeleelundite poolt mõjutatud ülaosani, mida autorid pidasid kognitiivsete protsesside jaoks vajalikuks. Osad neist ühendustest lõppesid insula sees.
Frontaalsagara ülalpool (dorsomediaalse osa) asuvate limbiliste ühendustega jõuavad signaalid läbi singulumi singulaatkorteksile.
Frontaalsagara alaosa (uncinate fasciculus'e) kaudu jõuavad signaalid orbitofrontaalselt korteksilt amügdalale ja hippokampust ümbritsevale ajukoorele, mis on mälestusteks vajalikud.

Okstipitofrontaalse kimbu (OFF) olemasolu kohta on ebakindlusi olnud. DTI uuringus leiti, et see ulatub kuklasagara dorsaalsest ja mediaalsest osast koos parietaalsagara mediaalse, dorsaalse ja inferioorse loobuliga aju teises otsas asuva prefrontaalse ja premotoorse korteksi dorsaalse ja mediaalse osani. Pakuti, et see omab rolli visuaalses analüüsis koos superior longitudinal fasciculus'ga (SLF). Selle ühendused asusid mediaalselt (siin pea poolkerade vahe lähedal) corona radiata'st ja SLF'st.

Düsleksiaga laste valge mateeria uurimisel DTI'ga leiti neil ühtlasemat vee liikumist vasakus SLF's ja ebanormaalset parema SLF'i orientatsiooni.

Operatsioonijärgselt oli kahel patsiendil kadunud võime olla teadlik asjadest vaatevälja vasakul poolel (neglect). DTI järgi oli SLF kahjustus parempoolses inferioorses parietaalsagaras, mille kaudu oli opereeritud. Teistes aksonikimpudes ei paistnud kahjustusi.

Selgroonärvi ja ajukoore vahel



Internal capsule ja corona radiata on peamiselt selgroonärvi ja ajukoore vahelisi signaale vahendavate aksonite kimp.
Internal capsule (IC) on selle kimbu kitsamalt koos olev piirkond basaalganglia osade ja ajutüve alaosa vahel, kus toimub ühe ajupoolkera motoorsete signaalide suunamine vastaskehapoolele. IC jaotatakse peamiselt kaheks osaks- anterioorseks haruks (AIC) ja posterioorseks haruks (PIC).
Corona radiata (CR) on selle sama aksonikimbu laialihajuv piirkond ajukoore ja basaalganglia vahel. Kahjustused ja stimulatsioon kalduvad avaldama sama toimet, mis tekivad nende aksonite lähte- või sihtmärkpiirkondade mõjutamisel.
External capsule (EC) on basaalganglia ja pea külje vahelises piirkonnas, mis osaleb kõnes ning mille külgmiseks piiriks on klaustrum (insulaga paralleelne õhuke halli massi kogum).
Klaustrumi ja insula vahelist valget massi nimetatakse extreme capsule'ks (EXC), mis osaleb samuti kõnes. EC ja EXC ühendavad Broca ja Wernicke ala. EXC ulatub frontaalsagara alaosadest temporaalsagara Wernicke alani ja parietaalsagara alaosani.

IC kahjustus võib põhjustada halvatust.

Neljal patsiendil stimuleeriti elektriliselt AIC'd ravile allumatu obsessiiv-komuplssiivse häire tõttu ning kolmel neist paistis kasulikku toimet.

Uuringusse võeti 55 patsienti, kes olid CR infarkti tõttu halvatud käega. Osadel patsientidel ei olnud vigastatud piirkond primaarsest motoorsest korteksist pärinevate aksonite ees ning selliste grupp oli taastumisega teisel või kolmandal kohal nelja vigastuse tüübiga grupi hulgas.

Ühel patsiendil oli taalamuse infarkti tõttu tekkinud hüperpaatia ühes jäsemes. Hüperpaatia tähendab valusate tajude tugevnemist. Hiljem toimus tal uus infarkt sama poolkera CR's, mis kahjustas taalamuse ja parietaalsagara vahelised ühendused ning tal kadus see valuhäire koheselt. Lisati, et varem on valu tõttu kirurgiliselt kahjustatud ajukoore alla jäävat valget mateeriat, mis asus lähedal selles juhtumis teise infarktiga kahjustatud kohale.

Kui uurijad võrdlesid 50 patsienti, kellel esinesid kindlad sümptomid, oli 70% neist PIC või selle lähiümbruse kahjustusega. Taalamuse ja ajukoore vaheliste ühenduste kahjustuse järgselt võis samuti neid sümptomeid tekkida. Otsitud sümptomiteks olid nõrkus ühes kehapooles, rääkimisraskused, neelamisraskused, kehapoole nõrkus koos ataksiale omase kohmakusega ning sensoorsed häired tuimusest ja kihelusest valuni.

Subtalaamse tuuma tugevamal stimuleerimisel võivad tekkida kõrvalnähud nagu lihaskokkutõmbed ning mille põhjuseks võib olla kõrvalasuva IC aktiveerumine. Mitmel juhul on stimuleerimisega jäikus vähenenud, kui samas on liigutuste aeglus ilmsemaks saanud.

IC stimulatsiooni on kasutatud valu leevenduseks. 330 Hz stimulatsioon paistab selleks sobivana.

Stimuleerides AIC ja nucleus accumbens'i piirkonda jäävat ala obsessiiv-kompulsiivse häire tõttu tekkisid ühel patsiendil maanilisuse sümptomid.

Patoloogilise naeru korral, mis algab kõige sagedamalt kõne alustamisel, ning on kontrollimatu ja emotsioonitu oli 12'st juhtumist 8'l kahjustatud piirkonnaks basaalganglia ülaosa, IC ja CR. Sellise naeru korral on ühisemaks tunnuseks häired aju motoorsete osade juures.

Ühel patsiendil kadus motivatsioon rääkida. Vaatlusel paistis mõlemas AIC piirkonnas hõredaid piirkondi.

Kuklapoolse IC (täpsem koht) elektrilisel stimuleerimisel tekkis ühel naisel emotsioonitu nutmine. Varem oli leitud IC stimuleerimisel näoilmete muutumist või emotsioonitut naeru, aga mitte samast kohast. Stimulatsiooni sagedusest sõltuvalt sai samas kohas põhjustada nuttu või ärevust. Vähemalt 130 Hz juures stimuleerimine põhjustas sekunditega algavat nuttu, mis stimulatsiooni lõpetamisel mõne sekundiga üle läks. 50 Hz stimulatsioon samas kohas põhjustas ärevust. Mõlema sageduse korral oli 0,5 voldine pinge ning 60 mikrosekundit kestvad alastimulatsioonid.

Liikumises osalevad piirkonnad ajus

Tahtele allumatute lihaste regulatsioon on suures osas kontrollitud selgroonärvi või ajutüve poolt, kuid tahtlikute liigutuste puhul (millele ma siin keskendun) teevad koostööd frontaal- ja parietaalsagara ajukoor, basaalganglia (striaatum, globus pallidus, subtalaamne tuum), taalamus, keskaju ja cerebellum. Teadvuse mõistmise juures paistab olulisena ka tahtlikes liigutustes osalevate piirkondade mõistmisel, sest näiteks basaalganglia ja cerebellumi piirkonnad on ühenduses peaaegu kogu ajukoorega ning nende kahjustamisel tekivad häired ka mõtlemise/tajumise juures.

Ajukoorel

Motoorsed alad on eristatavad elektrilisel stimulatsioonil saadud effektiga ja ka rakulise ehituse järgi. Sensoorsetel ajukoore aladel on palju pisikesi graanulrakke, premotoorsetel jääb neid vähemaks ja graanulrakud puuduvad või on hõredalt primaarsel motoorsel korteksil. Graanulrakkude kihi asemel on sellistes koorealades palju suuri neuroneid (püramidaalrakud), mille aksonid ulatuvad selgroonärvini ja vahendavad ajust väljuvaid motoorseid signaale.

Liigutuse planeerimisel aktiveeruvad premotoorse korteksi ja parietaalsagara superioorse parietaalse loobuli korteks (SPL). Nende mõlema stimuleerimine aitas kaasa nähtud objekti haaramisele vaatamata objekti asukohale. SPL saab sensoorseid signaale kehast ja silmadest ning on kahepoolselt ja tihedamalt ühenduses premotoorse korteksiga, kus eri kehaosadele vastavad ajukoore alad on korrapärases järjekorras. Erinevustena nendevaheliste ühenduste juures paistab see, et parietaalsagara sama piirkond on ühenduses ühe või mitme premotoorse alaga, kuid premotoorsed alad on ühenduses ainult ühe SPL'a piirkonnaga. Omavahel ühenduses olevatel aladel paistab tugevaid funktsionaalseid sarnasusi.

Värvi süstimisel kaelalülide vahel olevasse selgroonärvi värvusid esijäsemele vastavad alad frontaalsagaras. Mujalt ei otsitud värvitud rakke.
Premotoorsed alad katavad ~60% selgroonärviga ühenduses frontaalsagara pindalast ja nendest väljub selgroonärvi umbes sama palju või rohkem aksoneid, kui primaarsest motoorsest korteksist. Premotoorse korteksi kahjustuse järgselt võib kaduda võime õpitud liigutusi läbi viia ning primaarse motoorse korteksi eemaldusel säilis katseloomadel võime ainult peale lähedal asuvaid lihaseid liigutada, millest järeldati osaliselt, et premotoorsel korteksil võisid lühikesed ühendused olla.
Premotoorsel korteks on ühenduses primaarse motoorse korteksiga. Primaarne motoorne korteks on ühenduses singulaatkorteksi motoorse osaga ja suplementaarse motoorse korteksiga. Suplementaarne motoorne korteks saab signaale ventrolateraalselt taalamuselt, mis on basaaganglia ja cerebellumi signaalide saajaks.

Poolkerade vahel on üheks motoorse alana paistvaks osaks singulaatkorteksi keskmine osa (midcingulate cortex e. MCC), mis asub umbes motoorsete ajukoore piirkondade jätkuosana sügavamal poolkerade vahel. Sellel on vähe ühendusi amügdalaga ning peamised ühendused on parietaalsagara, motoorse korteksi ja selgroonärvi motoorsete neuronitega. Sellel paistab üks keha "kaart". MCC anterioorsel poolel paistab seost liikumise tasuvuse hindamisega ja erinevalt kuklapoolsest osast on ühendusi pigem premotoorsete, kui motoorsete aladega.
MCC'st otsmiku poole jääb anterioorne singulaatkorteks, millel on tihedamad ühendused amügdala, nulceus tractus solitarius'ega ja dorsaalse vagaalnärvi motoorse tuuma, osaledes üldiselt ka emotsionaalses mälus.

Basaalganglia



Basaalganglias on ajukoorelt esmaseks signaalide saajaks striaatum, mis mõjutab Globus pallidus'e (GP) välist (GPe) ja sisemist (GPi) osa. Striaatumile endale ei julgetud artiklites selget funktsiooni anda ja liikumishäirete puhul mõjutatakse või kahjustatakse teisi basaalganglia osasid. GPe on piirkond, kus suurem aktiivsus liigset liikuvust põhjustavaid häireid. GPe stimulatsioon võimendab liikuvust ning selle kahjustused vähendavad selliseid häireid. GPi, mis on basaalganglia peamiseks väljundsignaalide allikaks, mis saadab nähtavasti inhibeerivalt mõjuvaid GABA signaale taalamusele. GPi on aktiivsem jäikust, liikumisvõimetust ja värinnate ala. Dopamiin mõjub stimuleerivalt ka GP neuronitele. Substantia nigra (SN) ja striaatumi vahelised ühendused on sellised, et SN'st pärinev dopamiin aktiveerib striaatumit, kuid striaatum võib vastukaaluks striaatumi tegevust vähendada. Subtalaamne tuum (STN) loetakse ka vahel basaalganglia osaks. STN ise aktiveerib liikuvust takistava GPi. STN tihedal stimuleerimisel väheneb GPi aktiivsus ning vähenevad näiteks Parkinsoni tõve sümptomid nagu värinad ja jäikus.

Striaatumis on dopamiini vabanemisel oluline glutamaadi toime. NMDA retseptori antagonisti süstimine striaatumisse vähendas dopamiini hulka rakuvälises vedelikus ja NMDA süstimine suurendas dopamiini hulka. Glütsiini (inhibeeriv aine nagu GABA) agonist võimendas NMDA toimet ja glütsiini antagonist vähendas NMDA mõju dopamiini vabanemisele. Pakuti, et ajukoore ja striaatumi vahelised ühendused suurendavad dopamiini vabanemist NMDA retseptorite vahendusel. Atsetüülkoliini antagonist atropiin ei mõjutanud NMDA toimet.


Sellest artiklist on pärit pilt kolmevärvilise basaalganglia ja ajukoore jaotusega, mille autorid jagasid limbiliseks (pruun), kognitiivseks/seostavaks (lilla) ja sensoorseks/motoorseks (roheline). Kõigi puhul on pildi parempoolne osa kukla suunas. Dendriitide ulatus on näha parempoolsel STN'a pildil.
Subtalaamse tuuma anteromediaalse osa stimulatsioon võib tekitada hüpomaanilist emotsionaalsust. Selle piirkonna stimulatsioonist on kasu ka Parkinsoni tõvega kaasnenud liikumishäirete vastu. Dorsaalsete ja ventraalsete osade stimulatsioonil ei tekkinud hüpomaaniat ega leevendust liikumishäiretele. Kasutatud stimulatsioon oli 60 mikrosekundiliste 21,-2,7 voldiste impulssidega 130 Hz juures. Ühel patsiendil tekkis stimulatsioonil raskusi kõnelemises osalevate lihaste kontrolliga ja topeltnägemine. Peamiseks sisendsignaalide saatjaks on STN'le välisest globus pallidus'est tulevad signaalid. Autorid pakkusid elektri kandumist üle STN'i või kõrvalistele aladele selle väikeste mõõtude tõttu (3 x 5 x 12 mm).

Dorsolateraalse (pildil rohelise) striaatumi kahjustamisel tekkisid rottidel raskused liikumisel esijäsemete asendi alal hoidmisel. Otsmikupoolse striaatumi kahjustamisel tekkis raskusi söömisel ja kaal langes. Ventrolateraalse (pruuni) osa kahjustamisel oli tugev isu ja kehakaalu langetav toime.

Surmajärgselt uuriti 9 skisofreeniku ja 11 kontrollgrupi isiku striaatumi mRNA tasemeid. Skisofreenikutel oli ainsa olulise erinevusena atsetüülkoliini sünteesivate valkude mRNA hulk ventraalses striaatumis keskmiselt 26% sellest, mis oli kontrollgrupis. Järeldati, et see näitas väiksemat inhibeerivate interneuronite hulka.

Haarde juures paistis fMRI uuringus objekti valikul ning haarde planeerimisel (sh. kasutatava jõu valikul) suuremat aktiivsust otsmikupoolse striaatumi, GP ja STN juures ning suurema kasutatud haarde tugevusega kaasnes suuremat aktiivsust nende tuumade kuklapoolsetes osades. Vähemalt kahes uuringus leiti, et STN ja GPi aktiivsus sõltus kasutatavast jõust ning putameni ja GPe aktiivsus kasvas haarde kestvusega, kuid mitte selle tugevusega.
Roti substantia nigra-striaatumi vahelise dopamiini vahendava kimbu või ainult striaatumi kahjustamisel tugevnes rottide haardetugevus arvestades seda, kui kerge oli neid metallpulga küljest lahti saada. Suhteliselt tugevamat haaret paistis vastaskehapoole jäsemes, kui ühes poolkeras oli striaatumit kahjustatud. Seda erinevust peeti sarnaseks Parkinsoni tõvega kaasnenud jäikusega. Parkinsoni tõvega tekkinud sümptomeid peetakse tavaliselt striaatumi dopamiinipuuduse tulemuseks ja üheks sümptomiks on suhteliselt tugevam haare tundmatute objektide kätte võtmisel.

GP's tõuseb dopamiini tase uue toidu (50%), amfetamiini või kokaiini saamisel. Dopamiini agonisti süstimine suurendab aktiivsust GP rakkudes ja dopamiini antagonist langetab aktiivsust. Dopamiin nõrgestab GABA inhibeerivat toimet GP's.

Neljal Parkinsoniga patsiendil stimuleeriti piirkondi GP's ja taalamuses. Esines värinaid (tavaliseim vastus kõigis kohtades), liigutusi, sensoorseid tajusid ja muutusi emotsioonides.
Teises uuringus Parkinsoni tõves patsientidega paranes võimetus liigutada GPe stimulatsioonil, kuid vastupidine toime oli GPi stimulatsioonil. Kui GPi'd stimuleeriti liigse liikuvusega düskineesia ajal, siis vähenesid liigsed lihaskokkutõmbed. GPe stimulatsioonil tugevnes samas düskineesiaid, mis tekkisid neil patsientidel dopamiiniks saava Parkinsoni tõve ravimi (L-dopa) tagajärjel. 32 GP piirkonna uurimisel ei leitud kindlale kehaosa liigutusele aktiveeruvaid kohti. GP puhul paistab tihedal stimulatsioonil stimuleerivat kohalikku toimet erinevalt subtalaamsest tuumast, kus aktiivsus nähtavasti langeb kõrgesagedusliku stimulatsiooniga.

Näiteid Parkinsoni tõvega kaasnenud jäikusest ja värinatest (1, 2, 3).

Parkinsoni tõve esilekutsumisel ahvides suurenes neil aktiivsus GP rakkudes. Suurim muutus paistis GPi's, kus liigutuste peale aktiveeruvate rakkude arv neljakordistus. Valimatut suurenenud rakkude aktiivsust peeti Parkinsoni jäikuse, värinate ja liikumisraskuste võimalikuks põhjuseks.
GPe kahjustamine pärast Parkinsoni esile kutsumist dopamiinirakkude kahjustamisega võimendas Parkinsoni sümptomeid ning vähendas dopamiini agonisti pakutud leevendust.

Parkinsoni tõvega tekkinud värinate sagedust on seostatud vähemalt globus pallidus'e sisemisest segmendist mõõdetud aktiivsusega. 44 neuroni sisse paigutatud elektroodist mõõtis 11'st rakust värinatega umbes samas sageduses (3-6 Hz) tegevust, kuid olulisemat kattuvust lihastest mõõdetud elektrilise aktiivsusega värinate ajal leiti ühest uuritud rakust.

Globus pallidus'e stimuleerimisel 23'l patsiendil oli enam kui pooltel olulist sümptomite paranemist ning seda peamiselt värinate ja jäikuse vähenemise osas. Vähem oli kasu aeglaste liigutuste ja kõnnakuhäirete leevendamisel.

Globus pallidus'e kahjustamisel glutamaadi agonistiga tekkisid katseloomadel võimetus liigutusi algatada (akineesia), keha lõtvus, madal kehatemperatuur, ülitundlikkus puudutusele, tundetus tagajäsemetes, nälja ja janu näiline kadumine. Dopamiini agonisti süstimisel vähenes liikumisvõimetus, kuid jäikust ja nõrkust see ei mõjutanud.

Subtalaamse tuuma (STN) stimulatsioonil võib olla Parkinsoni tõve aeglustavat toimet arvestades vähemalt loomkatsetes leitut. STN saadab glutamaatseid signaale substantia nigra'le ning selle stimuleeriva aine vähendamisel tekib nähtavasti vähem (eksitotoksilisi) kahjustusi dopamiini vabastavatel rakkudel. STN'a tihedal stimuleerimisel väheneb selle aktiivsus ja dopamiinirakud võivad tõenäolisemalt ellu jääda rahulikuma tegevuse tõttu. 5 aastase STN stimulatsiooni järel inimestes oli 30% stabiilsete sümptomitega ja 18% said püsivamat leevendust sümptomitele kuigi ülejäänud 52% ei saanud nähtavasti kaitset.

GPi stimulatsiooni on kasutatud ravimitele allumatute Parkinsoni tõve ja düstoonia (püsivad kontrollimatud lihaskokkutõmbed) sümptomite leevenduseks. GPi on basaalganglia peamiseks väljundsignaalide saatjaks, mis saadab GABA taalamuse ventraalsetele ja mediaalsetele tuumadele ning ponsis asuvale PPN'le. Lisaks elektrilisele stimulatsioonile on kasutatud nende häirete leevenduseks ka selle tuuma posteroventraalse osa kirurgilist kahjustamist.
GPi on mõjutatud glutamaatsete ühendustega STN'st ja GABA saatvate ühendustega striaatumist ning GPe'st.

Düskineesia on kontrollimatu jäsemete liigutamine, mida võib esineda Parkinsoni tõve ravimitega. Näited (1, 2).

Ühel düskineesiaga patsiendil oli kahjustus GPi's. Tema motoorne korteks samal poolekeral (taalamus ja basaalganglia mõjutavad peamiselt sama poolkera) oli suhteliselt aktiivsem ning seda paistis jalale ja käele vastaval piirkonnal, milles ta düskineesia esines.

STN kahjustuse järel võib tekkida hemiballismus, mille sümptomiteks on kontrollimatud liigutused keha vastaspoolel asuvates jäsemetes. Klipid (1, 2).

Subtalaamse tuuma kahjustamisel suurenes ahvidel liikuvus ja tekkisid ebanormaalsed liigutused vastaskehapoole jäsemetes. Paistis aktiivsuse tõusu mõlema poolkera basaalganglias.

Hemiballismus on tekkinud peale kergemat STN kahjustust.

Hemiballismuse puhul leiti madalamat aktiivsust GPi'st, mida pakuti põhjuseks liigsete liigutuste tekkele vähese taalamuse inhibitsiooni tõttu ning GP kirurgilise kahjustamisel sai leevendada selle sümptomeid.

Cerebellum

Cerebellum koosneb seda katvast ajukoorest ning sisend- ja väljundinfot vahendavatest sügavates cerebellumi tuumadest (deep cerebellar nuclei e. DCN). DCN saadavad stimuleerivaid glutamaatseid signaale selgroonärvi, aju motoorsetele aladele ja cerebellumi korteksile. Korteksi ainsa väljundinfona paistab Purkinje rakkudest tagasi tulevad GABA signaalid.

Tüüpiliselt cerebellumi kahjustusel või glutamaadi antagonistide poolsel inhibeerimisel tekkinud katkendlike silmaliigutuste (nüstagmuse) näide (1).
Samadel põhjusel tekkinud ebakindla kõnnaku ja värinate (ataksia) näited (1, 2, 3).

Cerebellum'i kahjustusest tekkinud ataksia sümptomiteks on jäsemete koordinatsioonihäired, värin liigutuste planeerimisel ja ebakindel kõnnak. Selle põhjuseks võivad olla üleaktiivsed cerebellum'i tuumade aktiivsus, mis järgneb cerebellumi purkinje rakkude surma järel. Autorid tegid mutanthiired, kellel ei esinenud neuronite surma, kuid kellel oli DCN rakkude üleaktiivsus ning ka neil esines tugev ataksia.

Cerebellum saab sisendinfot kahe põhilise rakutüübiga. Üks sort (mossy fibers) neuroneid pärineb ajukoorelt ja on ühenduses DCN'ga ja cerebellum'i ajukoore graanulrakkudega. Teine sort rakke (climbing fibers) toob signaale ajukoorelt, ajutüvest ja selgroonärvist, mida antakse edasi DCN'le ja Purkinje rakkudele. Osad DCN'a rakud inhibeerivad GABAga ajutüve ja teised stimuleerivad ajutüve motoorseid tuumasid. Iga DCN rakk on ühenduses kümnete Purkinje rakkudega.

DCN'de rakud lõpetasid spontaanse tegevuse umbes 280 millisekundiks, kui Purkinje rakke stimuleeriti 10 impulsiga 100 Hz juures.

DCN'd saadavad kehaosale vastava korrapäraga signaale taalamuse motoorsele osale, mis saadab signaale edasi motoorsele korteksile. Sarnaselt motoorse korteksiga on selles taalamuse piirkonnas erinevad kohad erinevatele lihastele vastavate alade jaoks. Cerebellum'i tuumadest väljunud aksonite sihtpiirkond kattub vähemalt kahe tuuma puhul ning võimalik, et teised kaks on samuti sama korrapäraga selle taalamuse piirkonnaga ühenduses. Autor pakkus, et see võib tähendada korrapärast keha kaarti igas DCN's, mis samasse kohta signaale saadavad. Tuumade erinevusteks on see, millist sisendinfot nad saavad. Osad saavad tasakaaluinfot või sensoorseid signaale kehast. Teised saavad signaale erinevatelt "seostavatest" ajukoore aladest.

DCN stimuleerimisel ahvides tekitati neil jäsemete lihakokkutõmbeid, mille signaalid võisid kiiret liigutuse teket arvestades liikuda otse selgroonärvi. Liigutused kaldusid esinema korraga mõlemal kehapoolel.
Ühe kehapoole jäseme tegevus võib aktiveerida mõlema cerebellum'i poolkera ajukoort, kuid ühe poole ajukoore kahjustus põhjustab tavaliselt häireid ühes kehapooles.
Kahel ahvil stimuleeriti 54 kohta DCN's ja 42 neist põhjustasid vähemalt ühe sama kehapoole lihase kokkutõmmet ja 26 (ühel ahvil 63% ja teisel 29% stimulatsioonikohtadest) vähemalt ühes vastaspoolkera lihases.

Osadel inimestel tekkis cerebellum'i poolkerade vahelise piirkonna kahjustusel võimetus eristada suurema terviku liikumise suunda väiksema kaootiliselt liikuva vaatenurga järgi. Seda probleemi ei paista rohkem külgede pool asuvate piirkondade kahjustuste järgselt ning see tajuhäire püsis vähemalt ühel juhul 2 aastat hiljem uurides.

Kahjustades ahvidel kahepoolselt DCN'd aeglustus neil operatsioonieelselt õpitud liigutuste sooritamine, kuid uute liigutuste õppimisel jäid need veel aeglasemaks, kui operatsiooni eelselt õpitud järjestikused liigutused. Autorid järeldasid, et see näitab cerebellum'i vajalikkust automaatselt ja kiiresti tehtavate liigutuste õppimiseks.

Capsula interna

Inglise keeles internal capsule on taalamuse ja basaalganglia vaheline aksonite kimp, mis vahendab selgroonärvi kaudu tulnud sensoorset infot ja väljuvaid motoorseid signaale. Selle külje alla jäävad taalamuse tuumad, mis reguleerivad sensoorseid ja motoorseid signaale.





Võimalik funktsioon basaalganglial

Selle lõigu kirjutasin pärast mõnekümne artikli lugemist, mida nädala jooksul lugesin, mistõttu sisulised muutused on tõenäolised. Samuti see, et leian kellegi, kes varem midagi sellist kusagil artiklis avaldas.

Basaalganglia võib olla täiendav piirkond, mis kontrollib lihasaktiivsuse püsimist sobilikes piirides. Premotoorse korteksi ja primaarse motoorse korteksiga üksi ei toimu normaalset liikuvust ja nendevahelisi kontakte pole nii palju, et need saaks keskmisele rakkude aktiivsusele vastavalt reageerida.
Kui oleks vaja stabiilses vahemikus püsivat liikuvust, et paigal ära ei sureks või rabelemisega energiat ei kaotaks või peiteolekut ei reedaks, siis sellise basaalganglia vahendusel võib olla palju saavutatavam liikuvuse stabiliseerimine.

Hüpotees cerebellumi toimemehhanismist (2. sept. 2010.)

Ähmane aimdus cerebellumi toimimisest tekkis mul juba algse cerebellumi artikli kirjutamise käigus, kuid lükkasin seda edasi lootuses, et keegi teine proovib ka midagi sellel teemal välja pakkuda, kuigi mul endalgi olid veel selgituses suuremad lüngad.


Cerebellumi kolmekihiline ehitus koosneb sügavamatest kihtidest loetledes graanulrakkude kihist, Purkinje kihist ja molekulaarkihist. Graanulrakud on peamiseks sisendi saajaks, misjärel need saadavad oma sisendinfo aksoniga molekulaarkihti, kus see haruneb T kujuliselt kaheks pikaks haruks, mida nimetatakse paralleelkiududeks. Need kiud on kassidel ja ahvidel 5-6 mm pikkused. Paralleelkiududelt saavad signaale Golgi rakud, mis inhibeerivad aktiveerudes nende juures olevaid graanulrakke. Teiseks suuremaks info saajaks paralleelkiududelt on Purkinje rakud, mis saavad signaale 100 000- 200 000 rakult oma laialt harunenud dendriidivõre tõttu ja aktiveerudes saadavad need rakud inhibeerivaid signaale DCN rakkudele. Selgroost ja ajust tuleb signaale kahe rakutüübiga. Mossy fiber (MF) tüüpi rakud võivad olla otseses ühenduses graanulrakkudega ja climbing fiber (CF) tüüpi rakud võivad olla otse ühendatud Purkinje rakkudega.

Lihtsustatult võib kujutada elektroonikas analoogset liigutuste organiseerijat, kus kehast ja kehakaardi järgi signaale saatva protsessori ühendused saadavad signaale ühele DCN "rakule" või elektroodile nii, et mõlemad ühendused reguleeriksid sama kehaosa. Kehast tuleks pidevalt signaale, kuid kui tahte järgi tekib soov mingis asendis olla aktiveeritakse lisaks osad DCN punktid "kõrgematest" aladest tulnud signaali tõttu, mis DCN raku eriti aktiivseks teeks. See DCN juhe võib signaali anda graanulraku analoogile, mis võib hargneda laiali aktiveerides enda alla jäävaid juhtmeid, mis omakorda inhibeeriks kaugeleulatuvalt teiste DCN kohtade ja "graanulrakkude" tegevust. Kui on tahe mingis asendis olla ja keha ning protsessori otsused kattuvad , siis on summutatud teiste DCN kohtade aktiivsus, mis igaüks võib kontrollida erinevat liigutajat.
Närvisignaalid mõjuvad lihasraku kokkutõmbumist põhjustavalt.
Kui keha peaks kõrvale kalduma saab DCN koht vähem signaale, sest"ajukoorelt" ei tule sellega kooskõlas signaale ning puuduliku sisendi tõttu peatuvad selles suunas liigutanud liigutajad. Kaldudes liiga kõrvale kalduvad keha sensoorsete signaalide poolt akitveeritud DCN piirkond ühelt poolt kõrvale ja otsustava protsessori signaalid sunnivad vastassuunas liigutajaid, mis hetkel mitteaktiivsed, tööle hakata. Näiteks vasakule kaldudes aktiveeruksid DCN kihil rohkem vasakul asuvad sensoorsed ja motoorsed signaalid ning protsessor saab sundida siis vajadusel paremal pool asuvate liigutajate kokkutõmmet. Lisaks kaoks vasakule kallutanud liigutajate stimulatsioon tahte poolt määratud tegevusest kõrvale kaldumise tõttu.
Kuna liikumine on elusolenditel tihe võib otsustav ala sundida aktiveeruma uutel lihastel ning paralleelkiudude laadsete struktuuridega põhjustada vanade signaalide summutamist kohe peale uue asendi valimist. Kui paralleelkiudude analoogia alustaks inhibeerimist kaugemal asuvates piirkondades võib see soosida kitsapiiriliselt DCN lihaste liikumist, kuid blokeerida kaugemal asuvaid lihaseid kontrollivaid DCN rakke.

Cerebellumi kahjustusel on raskusi nii soovitud liigutuste alustamisel, kui ka lõpetamisel ning vana info kustutamine vähese sisendi tõttu võib aidata osavamalt kehaasendeid asendada. Cerebellumi ajukoore inhibeeriv toime stimuleerimisel võib aidata vana info kustutada ja see võib selgitada ka miks selle kahjustusel võib tekkida tähelepanuhäireid.

Elektroonilise analoogia näide ei kehti võib-olla bioloogiliselt (MF ja CF rakkudele ei osanud ma selles rolli jätta), kuid ma olen märganud, et tavaliselt on närvisüsteemi osadele elektrooniliste analoogiate mõtlemine lihtsam, kui bioloogilise täpse mehhanismi leidmine ning ka selliste pisijuppidele tundub kasutusalade leidmine lihtsana.

Taalamus

Taalamus on ajukoore, limbilise süsteemi ja ajutüve piirkondade regulatsioonikohaks, mis asub ajutüve tipu juures (asukoht). Signaalid liiguvad igast taalamuse osast kindlasse piirkonda ja sealt tulevad omakorda signaalid samasse taalamuse piirkonda. Kui retikulaarne tuum välja jätta, siis pole taalamuse tuumad omavahel aktiivses suhtluses. Kirurgiliselt on seda kahjustatud valu ja osade lihashäirete leevenduseks.

Alad 1, 2, 3 moodustavad primaarse somatosensoorse korteksi ja selle tuuma alad saavad veel selgroonärvist pärinevat sensoorset infot. Primaarne motoorne korteks on 4. ala. 6. ala katab premotoorse ja suplementaarse motoorse korteksi. 17. ala on kuklasagara kõige kuklapoolsem osa ning sellele läheb ajukoorele jõudnud visuaalne info. 18. ala on kuklasagara kuklaotsa piirkonda ümbritsev osa ja 19. on seda ümbritsev kuklasagara piirkond, mis on osaliselt vajalik nähtu kujude eristamiseks. 41. ja 42. ala moodustavad auditoorse korteksi. Kuigi joonisel seda ei paista, on prefrontaalse korteksiga ühenduses tuum ühenduses peaaegu kõigi limbiliste süsteemi osadega alates prefrontaalsest korteksist järjest kuni ajutüve stimuleerivate aladeni ning suheldes veel hippokampuse, hüpotaalamuse ja mitmete teiste nende vahele jäänud aladega.
Meeleelundite hulgas erandlikult ei paista taalamusel ühendusi lõhnatajus osalevate ajukoorealadega.

Taalamus on enamjaolt ümbritsetud GABA eritava taalamuse retikulaarse tuumaga, mille piirkonnad saavad signaale enda "all olevalt" taalamuse tuumalt ning ajukoore aladelt, millega vastav tuum on kahepoolses ühenduses. Retikulaarne tuum on kohati mõne raku paksune kiht taalamuse ümber, kuid närvisüsteemis nimetatakse ka sellise kujuga eristatavaid halli massi moodustisi tuumaks. Taalamus saadab spetsiifilisele ajukoore alale signaale ning samaaegselt lähevad osad signaalid kindale retikulaarse tuuma piirkonnale, mis omakorda saab signaale veel taalamusega ühenduses olevalt ajukoorelt või muult piirkonnalt. Ventraalsed tuumad on ühendused frontaalsagara eri osadega ja osalevad liikuvuses. Lateraalne genikulaattuum (põlvkeha) vahendab silmadest tulnud signaale ja mediaalne genikulaattuum vahendab helisignaale. Teised piirkonnad osalevad epilepsiale ja unespindlitele omaste ajulainete tekitamises. Täpset funktsiooni on taalamusele raske anda, kuid selle ühendused stimuleerivad mingil määral ajukoort ning GABA eritav retikulaarne tuum hakkab aktiivsema läbiva info korral tugevamalt oma sisu eritama taalamusse ja ümbritsevatele retikulaarse tuuma rakkudele.

Artiklid

Kolmeteistkümnel inimesel (neuroloogilisi häireid ei teatud) eemaldati surmajärgselt taalamused ja kromatograafiaga tuvastati taalamusest saadud viiludes asuv noradrenaliin ning serotoniin. Noradrenaliini oli kõige rohkem ventromediaalses "südamikus", millesse jäid mitmed intralaminaarsed ja mediaalsed tuumad ning see ala ulatas veidi sensoorsete (lateraalse taalamuse) aladeni. Pulvinaris on vähe noradrenaliini retseptoreid. Taalamuse 2/3 kuklapoolses osas on serotoniini kontsentratsioonid sarnased noradrenaliini omaga, kuigi pulvinaris oli serotoniini hulk kõrgem ning kogused erinesid tuumade vahel. Sarnaselt loomadest leituga on taalamuses vähe dopamiini.

Basaalganglia osaks olev striaatumit inhibeeriv globus pallidus'e sisemine osa omab ühendusi (lisaks ajutüvega) taalamuse ventraalsete, tsentromediaalsete ja "lateraalsete habenulaarsete" osadega.

Mälus võivad osaleda taalamuse intralaminaarne, dorsomediaalne ja anterioorne tuum. Anterioorse ja lateraalse tuuma, kuid mitte posteromediaalse tuuma kahjustamine takistas katseloomadel lõhna ja asukoha vaheliste seoste leidmist.

Taalamuse operatsioonidel paistavad tõenäolised riskid. Võrreldi kahte gruppi patsiente, kes olid multiple sclerosis'e tõttu kontrollimatute värinatega. Üks grupp sai elektroodi taalamuse stimuleerimiseks ja teistel eemaldati osa taalamusest. Mõlemas grupis oli 10 inimest. 14 kuu pärast oli paranemist asendiga kaasnenud värinate osas 64-78% (esimene number stimulatsiooni saajatel ja teine tüki eemaldusega). 4 patsienti said soovimatuid ja jäädavaid kahjustusi. Taalamuse vigastuse grupis oli kolmel püsivad probleemid (epilepsia ja nõrkus ühel kehapoolel). Elektroodi saanud grupis tekkisid ühel liikumisraskused ühes jäsemes.

Kolmel kasvaja või muu kahjustuse tõttu valu saanud patsiendil kiiritati täpsustamata taalamuse piirkonda kahjustuse esile kutsumiseks. Kõik said arvestatavat leevendust oma valule. Ühel neist tuli valu tagasi nelja kuuga ja teine suri kasvaja tõttu kahe nädala jooksul.

Ventraalsed tuumad

Motoorsete tuumadena paistavad ventraalne lateraalne, ventraalne anterioorne ja ventraalne mediaalne tuum, mis asuvad kõrvuti. Need kõik on frontaalsagara eri osadega ühenduses. GABA retseptorite hulk paistab madal.

Ventroposterioorse lateraalse tuuma (VPL) kahjustuste järel võib tekkida valu varem valutute puudutuste/stiimulite suhtes (allodüünia e. allodynia), suureneb valutundlikkus ning võib tekkida püsiv valutunne.

Süstides GABA agoniste epileptiliste või tervete rottide ventraallateraalse tuuma sisse tugevnesid neil ajukoorel epilepsialaadsed lained. Samad ained selle tuuma kõige äärmisesse osasse süstides (retikulaarse tuuma juurde) vähendas selliste lainete teket.

Taalamuse ventraalse ("ventral intermediate") tuuma eemaldust või kahjustamist kasutatakse Parkinsoni tõve ja teiste häirete tõttu tekkinud kontrollimatute värinate leevenduseks. Samas eelistatakse väiksemate riskide tõttu kasutada sama tuuma elektrilist stimulatsiooni.
Testides sellisel eesmärgil tehtud ühepoolse taalamuse kahjustuse mõju 31 patsiendi peal paistis olulist võimekuse langust kõne voolavuse juures vasakupoolse kahjustuse saajate hulgas. Tähelepanu, mälu ja loogika testides ei paistnud kokkuvõtte järgi muutusi. Küsitluse järgi tundsid patsiendid paremini elukvaliteedi osas.

Mediaalsed ja tsentraalsed tuumad

Reuniens'i tuum paistab suurema regulatsioonikohana mediaalse prefrontaalse korteksi ja hippokampuse vahel saates neile mõlemale signaale. Taalamusest on see hippokampusele üheks suurimaks signaalide saatjaks. Dorsomediaalse ja reuniens'i tuuma kahjustused suudavad katseloomadel mäluhäireid tekitada.
Reuniens'i tuum (aju poolkerade vahelises taalamuse küljes) saab signaale peamiselt insulast, hippokampusest, lateraalsest septumist, lateraalsest genikulaattuumast, taalamuse paraventrikulaarsest tuumast, amügdalast, hüpotaalamuse anterioorsest, premammillaarsest, supramammillaarsest, ventromediaalsest, posterioorsest tuumast, orbitomediaalsest korteksist ja hippokampuse juures olevatelt rhinaalsetelt koorealadelt. Ajutüves on ühendusi ventraalse tegmentaalse ala, periakveduktaalse alaga, superioorse kolliikuliga, raphe tuumadega ja parabrahhiaaltuumadega.
Ühisena paistab nende piirkondade juures prefrontaalsest korteksist järjest insula/orbitofrontaalse kaudu hüpotaalamuse ja mälualade ajutüveni minnes see, et tegu on erksuse ja emotsionaalsemate tajudega tegelevate aladega.

Skisofreeniaga on seostatud väiksemat mediodorsaalset tuuma, mis stimuleerib prefrontaalset korteksit. Selle tuuma kahjustamisel paistis rohkem ärevust uurivat käitumist arvestades.

Mediaalse taalamuse kahjustuste järel on inimestel tekkinud tugevaid mäluhäireid. Rottidel tekkis anterioorse tuuma kahjustuse järel raskusi vee alla peidetud saare leidmisel ja samuti siis, kui saar peideti uude kohta.

Tsentromediaalse tuuma tegevust on seostatud valuga. Selle posterioorne piirkond tekitab delta (~0-4 Hz) kuni teeta vahemikku (inimese ajukoorel ~6-9 Hz) jäävaid ajulaineid, millel paistab olulist seost valuga. Tsentromediaalse tuuma kahjustamisel 96'l patsiendil paranes valu (keskmiselt 3 aasta ja 9 kuu pärast kontrollides) umbes pooltel ning keskmiselt ~50% ulatuses. 18% said täielikku leevendust. Allodüünia vähenes pooltel ja suuremat kasu said need, kelle valu ei olnud varem pidev. 31% vähendas ravimite hulka. Valu põhjusel ei paistnud seost operatsioonijärgse leevendusega. 11,5% tekkisid operatsiooni tõttu komplikatsioonid ja ühel tekkis tõsisem jääv puue, kuid kokkuvõttes loeti see suhteliselt ohutuks operatsiooniks.

Võrreldes 16 tervet ja 16 närvisüsteemi häire tõttu valudes inimest leiti valu korral suuremat tegevust EEG järgi 6-9 Hz ja 12-16 Hz ajulainete puhul. Neid sagedusvahemikke tuvastati tugevamalt insulal, anterioorsel singulaatkorteksil, prefrontaalsel ja inferioposterioorsel parietaalkorteksil ning primaarsel -, sekundaarsel- ja suplementaarsel somatosensoorsel korteksil, mis kõik aktiveeruvad valutajuga.
Pärast tsentraallateraalse taalamuse tuuma kahjustamist kuuel patsiendil salvestati nende ajukoorelt 12 kuu pärast vähem tegevust insulal ja anterioorsel singulaatkorteksil.

Taalamuse parafascicular tuuma (Pf) elektriline stimulatsioon vähendab valu. Kerges halotaani üldnarkoosis olevate rottide periakveduktaalse halli massi (PAG) ja retikulaarse formatsiooni neuronite tegevust mõõdeti 129'st rakust. Pf stimuleerimisele reageeris 80% nendest rakkudest ja valu tekitamisel 75% rakkudest. Mõlemal juhul oli reaktsiooniks enamasti aktiivsuse tõus. Osad PAG ja retikulaarse formatsiooni rakud olid ühenduses raphe tuumaga (nucleus raphe magnus), mis inhibeerib selgroonärvi dorsaalsete sarvede närve. Viimased on valu ja kehast tuleva sensoorse info vahendajad. Neid piirkondi peeti Pf valuvastase toime läbiviijateks.

Anteromediaalne tuum oli sarnaselt reuniens'i tuumaga ühenduses peaaegu kõigi limbiliste ajukoorealadega otsmikust kuklani sh. mälualadega ning lisaks ühe visuaalse ajukoore alaga kuklasagaral (pilt).

Tsentromediaalse ja Pf tuuma stimuleerimisel suurenes aktiivsus 50's kohas 52'st vaadeldavast kohast. Suurimad verevoolu tõusud leiti lateraalselt habenulast (~330%), subtaalamuses asuvas zona incerta's (~400%), keskaju retikulaarses formatsioonis (~415%) ja parietaalkorteksis (~215%).
Glükoosi tarbimine suurenes nendes piirkondades erineval määral. Zona incerta's suurenes see (~120%) ja keskaju retikulaarses formatsioonis (~190%). Ilma stimulatsioonita oli tugevam seos verevoolu ja glükoosi tarbimisel, kuid tsentromediaalse ja Pf tuuma stimuleerimisel muutus see seos. Mõlemad tuumad osalevad teadaolevalt limbiliste ja motoorsete (näiteks globus pallidus'est) närvisüsteemi osade regulatsioonis.
Verevoolu muutust võib tekitada ka ainult veresoonte laiuse muutumine. Vähemalt parietaalsagara ja retikulaarse formatsiooni aktiivsuse tõusust paistab tõenäolist erksuse ja teadvustamise tõusu.

Lisaks seostatakse tsentromediaalset ja Pf tuuma erektsioonidega. Taalamuse stimuleerimine on tekitanud erektsiooni kahel patsiendil. Ühel neist hakkasid erektsioonid sagedamini ja tugevamalt tekkima erootilise stiimuli saamisel, kuid teisel patsiendil nõrgenes erektsiooni tugevus vahekorra ajal. Mõlemal juhul normaliseerusid erektsioonid elektroodi välja lülitamisel. Elektroodide asukohad erinesid ~2 mm võrra. Esimese stimulatsioon oli 1.6 V/130 Hz/90 s ja teisel 6.4 V/130 Hz/120 s.
Erektsiooni ajal on enamasti leitud suuremat aktiivsust taalamuse dorsomediaalses, tsentromediaalses ja Pf tuumas. Viimased kaks on ühed peamised selgroost taalamusse tulevate signaalide vastu võtjad ning see rada paistab võimaliku seksuaaltajude vahenduskohana. Lisaks taalamusele on sellel perioodil aktiivsed ka teised limbilise süsteemi osad, mis kalduvad aktiveeruma sisetajude korral.
Emastes rottides paistis pärast paaritumist või tupestimulatsiooni suuremat aktiivsust tsentromediaalses, tsentrolateraalses ja reuniens'i tuumas.
Primaatides ja närilistes paistab taalamuse mediaalsete tuumade stimulatsioonil erektsiooni tekitavat toimet.

Sensoorsed tuumad

Pulvinar osaleb visuaalse, auditoorse ja somatosensoorsete signaalidega seostuvate alade mõjutamises. Ühel juhul kahjustati selle anteromediaalset piirkonda kuuel kasvaja tõttu valudes patsiendil, kellest 5 said leevendust ilma teisi sensoorseid tajusid kaotamata. Seda operatsiooni korrati hiljem ka teiste poolt ja paremat leevendust paistis kasvajavalu suhtes. Neuropaatilise valu puhul paistis kasu vähem. Esialgu sai kuni 80% leevendust, kuid valul oli selge kalduvus tagasi tulla. Valu taastumine oli ilmsem tagajärg neil, kellel polnud kasvajaid või teisi varsti surmaga lõppevaid tervisehäireid. Enne pulvinari vigastust kontrolliti elektrilise stimulatsiooniga kas tegu oli näiteks somatosensoorse alaga ühenduses tuumaga, kuid pulvinari enda stimulatsiooniga ei paista enamike autorite järgi selget tagajärge.
Kahjustades seda piirkonda 41'l patsiendil kadus 19 kohe valu ja 12 said asjalikku leevendust. 29 kuud hiljem uuesti kohtudes oli 29% jäänud valust vabaks.
Kõrvalmõjusid paistab sellisel operatsioonil vähe ja väiksema eduga on seda üksikjuhtudel kasutatud ka värinate ja düskineesiate (raskenenud tahtlikud liigutused ning isetekkelised tahtmatud liigutused) leevenduseks, kuigi basaalganglia ja teiste taalamuste tuumade kahjustamisest võib rohkem kasu olla.

Mõõdeti elektrilist tegevust patsientidel, kellel oli taalamuse või taalamuse-ajukoore piirkonna kahjustusi. Ventroposterioorse piirkonna kahjustuse korral leiti pärast käe või jala stimuleerimist somatosensoorselt ajukoorelt vastuse puudust või väiksema amplituudiga tegevust.

Pulvinar on lisaks sensoorsetele aladele ühenduses veel amügdala ja singulaatkorteksiga.

62 ventrolateraalse tuuma või pulvinari kirurgilise kahjustuse saajate võimekust testiti. Verbaalne arusaamine ja eneseväljendus paistis nõrgem vasaku taalamuse kahjustusel. Raskusi nägude meelde jätmisel ja tuvastamisel paistis peamiselt parempoolse taalamuse kahjustuse järgselt. Pulvinari vigastuse järgselt ei paistnud kumbagi probleemi.

Pulvinari stimuleerimine hakkas kassidel valulaadset reaktsiooni tekitama alates 0,25 milliamprisest stimulatsioonist.

Ahvide somatosensoorset (ventraalposterioorset lateraalset) taalamuse tuuma kahjustati ja vaadeldi somatosensoorsel korteksil käele või sõrmele vastavat piirkonda. Varasemate katsete järgi paistab pärast kehaosa närvi kahjustamist sellele vastava ala kitsenemist somatosensoorsel korteksil. Muutusi hakkas alates 15% ulatuses tuuma kahjustamisest ning need põhjustasid väikseid muutusi kuni 45% ulatuses kahjustamist. Sealt edasi hakkasid käele ja sõrmele vastavad alad vähem ruumi võtma ajukoorel. Üle 60% kahjustamist vaigistus käele vastav ajukoor.

Retikulaarne tuum

Retikulaarne tuum on enamust taalamust ümbritsev rakukiht. Enamus dorsaalsetest tuumadest saadavad ühendusi spetsiifilistele ajukoore aladele ja spetsiiflistele taalamuse retikulaarse tuuma osadele. Ajukoore alad saadavad signaale tagasi samale taalamuse piirkonnale otseselt ja kaudselt retikulaarse tuuma kaudu. Taalamuse reuniens'i tuum saadab palju aksoneid peamiselt sama poolkera hippokampusele ning umbes 5 korda vähem vastaspoolkera hippokampusele. Hippokampusest leiti värvitud rakke ainult värvi süstimisel anterioorsesse retikulaarsesse tuuma. Anterioorne retikulaarne tuum saab signaale veel ajukoore aladelt (singulaatkorteks, orbitaalne, infralimbiline, retrospleniaalne ja frontaalne korteks), taalamuselt (paraventrikulaarne, anteromediaalne, tsentromediaalne ja mediodorsaalne tuum) ja ajutüvest (substantia nigra'ga, ventraalse tegmentaalse alaga, periakveduktaalne halli massi, ponsi retikulaarne tuuma ja ülemise vestibulaarse (tasakaalu) tuumaga).
Retikulaarne tuum saab signaale ajukoorelt ja taalamuselt ning enamus selle tuuma signaalidest läheb dorsaalsele taalamusele.
Sellele pole spetsiifilist toimet leitud, kuid see paistab olulise osana ajukoore aktiivsuse, une eelsete unespindlite ja epilepsiale omase tegevuse tekitamises.
Üks suuremaid signaalisaatjaid retikulaarsele tuumale on singulaatkorteks.
Retikulaarsel tuumal paistab anatoomia järgi 7 põhilist sektorit. 5 on sensoorsed (visuaalne, auditoorne, somatosensoorne, maitsealane ja siseorganitest tulev vistseraalne), 1 motoorne ja 1 limbiline. Otsmikupoolne retikulaarne tuum on motoorsete ja limbiliste aladega ühenduses.
Hippokampuse ja taalamuse vahelistel ühendustel paistab võimalik roll epilepsia esile kutsumises. Retikulaarse tuuma stimulatsioon vähendab limbilisest süsteemist tekkinud epilepsiaid katseloomades.

Retikulaarne tuum on kohati ainult mõne raku paksune olles mõjutatud taalamuse ja selle sihtmärkide signaalide poolt mõlemas suunas. Kui intralaminaarne ja retikulaarne tuum välja jätta ei suhtle taalamuste tuumade rakud üldiselt omavahel. Retikulaarse tuuma rakkudele on omaseks pikad tihedate impulssidega perioodid. Neurotransmitterina paistab neis GABA. Sihtmärgiks neile GABA signaalidele paistavad tõenäolisena taalamuse tuum, millelt nad stimuleerivaid signaale said ning ümbruses olevad retikulaarse tuuma rakud. Autori hüpoteesi järgi võib see tuum ühtlustada taalamuse aktiivsust inhibeerides aktiivsemaid taalamuse alasid ning aktiveerides kõrvalisi vähemaktiivseid piirkondi nende retikulaarsete tuuma rakkude inhibeerimisega.
Teise hüpoteesina pakkus ta retikulaarse tuuma stimuleerivat toimet taalamusele, mille tagajärjel peaks võimenduma aktiivsus juba olemasoleva aktiivsusega piirkonnas. Selle toetuseks kirjeldas ta katset taalamuse viiludega, mille rakud hakkasid stimuleerimisel 25-100 Hz juures tööle. Kui nende membraanilaengut vähendati 10 millivoldi võrra (mis peaks signaaliteket raskendama) hakkasid need stimuleerimisel lühiajaliselt 300 Hz juures signaale tekitama.

Limbilise süsteemi osade korduva elektrilise stimulatsiooniga nagu näiteks hippokampuses 12 korda päevas poole tunniste vahedega tekkisid katseloomadel neljandal päeval epilepsiahood. Samaaegselt retikulaarse tuuma stimuleerimisel takistati epilepsia teket.

Sügava une ajal mõõdeti anterioorse ja lateraalse taalamuse retikulaarse tuuma (RE) elektrilist tegevust. Taalamuse ja ajukoore rakkudele oli une ajal omaseks vaikiv olev lühikeste aktiivsete faasidega. RE'st mõõdeti ka une ajal tihedat impulsside teket aeglasemate ajulainete ajal ja ärgates nende aktiivsus kahekordistus ning signaalid tekkisid ühtlasemalt. Ärkvel olles võisid RE rakud töödata 60 Hz juures ning une eel langes see kuni 6 Hz peale. Magades oli keskmine aktiivsus ~30 Hz ning seejuures võis olla pikemaid pause, mille vahel (umbes ajulaine ajal) töötasid rakud 0,1 sekundit kiirusega 300 impulssi/sekundis. Osad RE rakud töötasid kiiresti 1-2 sekundit. Kassil puudub RE anterioorsel tuumal ja selle piirkonna rakud ei tooda selliseid signaale. Taalamuses asuvad inhibeerivad interneuronid paistavad GABA suhtes kümneid kordi tundlikumad, kuid teised sealsed rakud, mistõttu võib RE GABA taalamusele stimuleerivalt mõjuda. RE töötas katse ajal mõõdetud rakkudes ühtlasemalt ärkveloleku ajal ning une ajal olid nende töös pikemad pausid.
Pakuti võimalust, et une ajal tihedalt GABA vabastades küllastatakse interneuronite retseptorid, kuid taalamuse teiste tuumade rakud ise saavad ka suuremas koguses GABA, mistõttu need ei aktiveeru. Lisaks pakuti, et RE aktiveerib interneuronite inhibeerimisel piirkondi, mis taalamusse jõudnud suurema aktiivsuse järgi on juba aktiivsemad ja inhibeerivad kõrvalasuvaid RE rakke sealseid rakke sellega inhibeerides.