Ajukoor

Ajukoor on halli massi kiht aju pinnal, millel on kuni 6 kihti. Osad piirkonnad nagu hippokampus ja cerebellum on 3 kihilise ajukoorega. Õppimiseks paistab ajukoor kindlalt vajalikuna ning ka ümbruse laiemaks tajuks, otsuste tegemiseks ja liigutuste valimiseks.

Numbreid ajukoorest:

• Inimese ajukoores on ~10-20 miljardit neuronit (rotil on see number ~20 miljonit).

• Poolkerad on omavahel ühenduses 250 miljoni neuroniga (corpus callosum'i aksonitega)

• Gliaalrakke on ajukoores ~40 miljardit.

• Keskmise neuronite suremiskiirusena ajukoores paistab 1 rakk sekundis e. 31 miljonit aastas.

• Pindala on 2500 ruutsentimeetrit. Rotil 6, elevandil 6300 ja osadel vaaladel üle 7000 ruutsentimeetri.
  

• Ajukoore paksus on 1,5-4,5 mm.

• Mahu järgi on inimese ajukoorest 41% frontaalsagaras, 22% oimusagaras, 19% parietaalsagaras ja 18% kuklasagaras.

• Selgroonärvi ja aju koguruumalast moodustab ajukoor ise inimesel 77% ruumalast. Ajukoore paksust, pindala ja aju 1,5 kilost kaalu ning veelähedast tihedust arvestades paistab see realistliku numbrina. Aju tarbib viiendiku kehas olevas hapnikust ning sellest 6% läheb valgele massile ja 94% hallile massile. Halli massi alla jääv ajukoor võib sellest suure osa kulutada.
  

• Auditoorses korteksis on ~100 miljonit neuronit.

• Primaarsel visuaalsel korteksil (Brodmanni ala 17) on ~540 miljonit neuronit.

• Roti primaarsel somatosensoorsel korteksil on ~2,7 miljonit neuronit ja see number oli kolmandiku võrra väiksem isenditel, kelle ema sai tiinuse ajal juua 6,7% etanoolisisaldusega vedelikku. Ma ei leidnud inimestel nende hulka, kuid ~5% ajukoore rakkudest võib inimestel selle alla jääda (järgmises viites väideti, et inimesel ei ole 90% ajukoorest primaarsel somatosensoorsel ja motoorsel korteksil).
  

Rakulisest ehitusest (allikas)

Üldjoones on ajukoore kuuest kihist pealmised 3 ühenduses teiste ajukoore aladega sh. lähiümbruses olevate ajukoore rakkudega, kuid ka kaugemate poolkerasiseste või vastaspoole ajukoore aladega. Neljas kiht on ajukoore kõige põhilisem sisendinfo saaja erinevatelt aladelt. Viies ja kuues on signaalide välja saatjateks.
4. ajukoore kiht saadab signaale edasi 2. ja 3. kihile. Pealmised kihid on enamasti omavahel horisontaalsemalt ühenduses, kuid osad rakud on ühenduses 5. või 6. kihiga. 6. kiht on ühenduses taalamusega. Viies kiht on ühenduses selgroonärvi, hüpotaalamuse ja erinevate limbiliste süsteemi osadega. Motoorne korteks ei ole ainuke selgroonärviga ühenduses ala ja kõigi ajukoore piirkonna 5. kihi rakud omavad või omasid millalgi arengu käigus ühendusi selgroonärvi, basaalganglia ja hüpotaalamusega.

Ajukoore kihtide nimetuse puhul tähistavad need numbrid seda, millise rakulise ehitusega piirkonnaga on tegu, mitte tingimata seda mitmes see on pealmistest kihtidest lugedes.

Rakukehade värvimisel leiti, et ajukoores esineb väheseid rakukehasid sisaldavaid piirkondi, mis ulatusid vertikaalselt valgest mateeriast ajukoore pealmiste kihtideni ning neid esines iga 30 mikromeetri järel. Rakukehade asemel on nendes aksonid ja dendriidid. Neid piirkondi nimetatakse minikolumniteks. Ahvi primaarse visuaalse korteksi minikolumnis on ~100 rakku, millest 39 on püramidaalrakud. Umbes 70% ajukoore väliskihi püramidaalrakkudest omab stimuleerivaid ühendusi rakkudega, mis on kuni 0,3 millimeetri kaugusel. Paari millimeetri kaugusele ulatuvate aksonite puhul esineb korrapärast ehitust. Nende põhiaksonist väljunud horisontaalselt minevad harud ei harune laialt ning moodustavad sõltuvalt ajukoore piirkonnast iga 0,43 mm (visuaalsel korteksil), 0,7 mm (somatosensoorsel) ja 0,85 mm (motoorsel korteksil) järel kitsaid sünapsikogumeid. Nendest kogumitest edasi võib jätkuda aksoniharu ning sama distantsi järel on uue sellise kitsa sihtmärgiga sünapsikogumi moodustada ning neid esineb korduvalt kuni mitme millimeetri ulatuses.

Variatsioone kihtide olemasolu ja proportsioonide osas leidub ning neid 52 erinevat ala nimetatakse Brodmanni aladeks. Nende keskmine pindala on 21 ruutsentimeetrit (kogupindala selle järgi 2200 ruutsentimeetrit) ja keskmine rakuhulk igas 250 miljonit. Neis kõigis on miljoneid minikolumneid. Need koos moodustavad makrokolumneid, mis sisaldavad kuni paarsada minikolumnit.

Somatosensoorse korteksi uurimisel märgati 1957. aastal, et rakud kaldusid vahelduvalt reageerima erinevatele stiimulitele. Naha puudutusele reageerivad rakud vaheldusid umbes iga poole millimeetri järel rakkudega, mis aktiveerusid lihase või liigese retseptoritele. Iga makrokolumn paistab somatosensoorsel korteksil kindla kehaosa puudutusele reageerivana.

Visuaalsel korteksil esineb kardinalaadseid ribasid (0,4 millimeetriste vahedega), kus rakud on vaheldumisi spetsialiseerunud parema või vasaku silma signaalide vastu võtmiseks. Orientatsiooni kolumnid on minikolumni suurusega visuaalse korteksi osad, mis reageerivad valivalt kindla nurga all olevate joonte tuvastamisega.

Horisontaaltasandil võivad ajukoore neuronid põhjustada vastusuunalist inhibitsooni (recurrent inhibition), kus aktiveeritakse naaberala, mis omakorda hakkab inhibeerima esialgset stimuleerivat piirkonda. Sellele on pakutud rolli väiksema retseptsiivala loomisel, mis on kitsam, kui oleks oodata signaale vastu võtva ala suurust. Esineb ka vastusuunalist stimulatsiooni.

Müeliinkihi puuduse tõttu on ajukoore siseste signaalide liikumiskiirus 0,30-0,5 meetrit sekundis.

Iga ruutmillimeetrise ajukoore ala alla jääb ~150 000 ajukoore rakku. Retseptsiivväljad on rakud, mis aktiveeruvad kindla stiimuli korral nagu näiteks visuaalsel korteksil vaatevälja kindlas osas nähtu peale aktiveeruvad rakud või kindla kehaosa puudutuse peale reageerivad rakud. Retseptsiivväljadeks võidakse nimetada ka nahas või mujal asuvaid neuroneid. Sama stiimuli peale aktiveeruvad rakud kalduvad olema ajukoore tasapinnal vertikaalselt minevate ühendustega. Need võivad olla silindri või kardina sarnase peene lehtja kujuga. Nende hulgast võib aimata ajukooreala infotöötluse võimekust.

Makrokolumnite läbimõõt võib olla 0,4-1 millimeetrit.

Primaarse visuaalse korteksi välised kihid omavad rakupiirkondi, mis on tundlikumad värvidele. Need "laigud" saadavad signaale spetsiifilisemalt sekundaarsel visuaalsel korteksil asuvatele värvitundlikutele aladele, mida nimetatakse ribadeks (stripe). Laigud on lahutatud üksteisest makrokolumnite suuruste distantside poolt ning vahelejäävad alad on tundlikud rohkem kuju kui värvi suhtes. Laikudest on samas umbes kolmandik värvitundlikud. Sekundaarsel visuaalsel korteksil asuvad värviribadega paralleelselt ribakujulilsed alad, mis on spetsialiseerunud kuju tajule.

Lateraalse inhibitsiooni korral vähendavad rakud naaberrakke ja sensoorsel korteksil aitab see suurimal aktiivsusel tekkida seal, kus aktiivsus on suurem. Vähem stimuleeritud rakud suudavad aktiivseimat rakku vähem inhibeerida ja sellel pakutakse rolli tugevaima stiimuli esile tõstmisel ajukoorel.

Visuaalne korteks (hea allikas)

Lihtsamini uuritavaks ajukoore alaks on olnud visuaalne korteks. Võimalik, et analoogset info vahendust esineb teistel sensoorsetel aladel. Primaarsele visuaalsele korteksile (V1) piirkonnale jõuab nähtu üla-ala osa poolest tagurpidi pööratult. Nähtu keskosa jääb selle kuklapoolsema juurde ning vaatevälja ääreala vastuvõttev ala jääb sügavamale ajuvoltide vahele. V1 saadab suure osa signaalidest sekundaarsele visuaalsele korteksile (V2), mille rakud on spetsialiseerunud keerulisemate kujundite tuvastamisele.

Nähtu suhtelise selguse taga ei ole ainult see, et vaatevälja keskosa saab ajukoore äärealadest rohkem ruumi, vaid ka see, et vaatevälja keskosas saab iga nägemisnärvi rakk signaale ühelt või üksikutelt rakkudelt, kuid vaatevälja serva jäävad rakud saavad signaale paljudelt (kuni tuhandetelt) nägemisrakkudelt. Keskosas on nägemissignaali algatajateks värvide nägemiseks vajalikud koonusrakud, mis on peaaegu ainsad selle piirkonna valgustundlikud rakud. Ähmasemaks kujude ja asukohtade tajuks vajalikud kepprakud on enamuses äärealadel ning need jäävad suurema valgustundlikkuse tõttu toimima siis, kui valguse puuduse tõttu suudetakse ainult mustvalgelt ümbrust näha.

V1 piiride retseptsiivväljad paistavad ajukoorel neliknurksetena reageerides tugeivamalt kindla nurga all jõudnud sisendinfo korral. Neid nimetatakse lihtrakkudeks (simple cell) ja asukohaks paistab enamasti 4. ajukoore kiht.

Lisaks lihtrakkudele leidub visuaalses korteksis kompleksrakke, mis reageerivad kindla nurga all liikuvatele stiimulitele. Nende puhul on pakutud, et mitu sama nurga all olevat piire tuvastavat lihtrakku saadavad oma signaale kompleksrakkudele, mis hakkab selle tulemusel tugevamalt tööle. Vastassuunas liikumisele need rakud tihti ei reageeri.

Hüperkompleksrakud reageerivad liikuvate kujundite ja kindla pikkusega joonte korral (kindlaid mõõte ületades nõrgeneb reaktsioon) ning ka siis kui valgustatud piirkonna suhe pimedama osaga on vastav. Nende puhul on mitme kompleksraku aksonid ühenduses ühe rakuga. Kui lihtrakud reageerivad orientatsioonitelje peale, siis kompleksrakud reageerivad selle liikumisele ja hüperkompleksrakud osalevad piiride tajus.

Torgates elektroodi vertikaalselt läbi ajukoore saab leida peaaegu igalt kihilt (erandina paistab 4. kiht) liht- või kompleksrakke, mis reageerivad ainult kindlas orientatsioonis oleva stiimuli suhtes, kuid horisontaaltasapinnal liikudes saab leida järjest muutuva orientatsioonieelistusega rakke. 180 kraadist muutust orientatsioonieelistuses leiab umbes iga millimeetri järel.
Paremalt ja vasakult silmalt tulnud info jõuab ajukoorele eraldi poole millimeetriste laiustele kõveratele ribadele. Neid alasid saab visualiseerida värvaine süstimisel nägemisnärvi.

Värvidele reageerivaid kolumneid nimetatakse laikudeks (blobs) ning neid leiab 2.-3. ja 5.-6. kihist.



Võimalik sensoorse info vastuvõtu detailsus


Eeldades, et primaarse visuaalse korteksi pool miljardit rakku vastutavad otseselt nähtu tuvastamisega saaks oletada selle järgi otseselt nähtu detailsust. Varem viidatud keskmiste järgi on 250 miljoni rakuga piirkonnas miljoneid minikolumneid. 500 miljoni puhul võib siis olla ~3-4 miljonit minikolumnit ning kuna ahvidel on visuaalsel korteksil 100 rakku minikolumnis oleks 5 miljonit ebarealistlik absoluutne maksimum. Võimalik, et neid saab arvestada "pikslitena" (eraldi pikslid värvide ja orientatsioonide jaoks). Vaatevälja keskosast kuni 10 kraadi kõrvale kalduv ala võtab juba ligikaudu pool primaarsest visuaalsest korteksist enda alla ja selles kitsas piirkonnas suudame väga detailselt näha. Keskosaga võime näha väga nõrgalt nähtavaid taevatähti ja millimeetri murdosa läbimõõduga jooni (näiteks meetri kaugusel olevat ~20-100 mikromeetrise läbimõõduga juuksekarva), kuid ääre pool asuvaid asju on juba raske tuvastada. Võib-olla seoses sellega on raske suvalisele sõnale tekstis fokuseerides näha mõne sõna või rea jagu eemal asuvaid sümboleid. Arvestades fotofailide detailsust pikslite järgi ja inimsilma kitsast selget nägemispiirkonda võib see ~1-2 miljonit infopunkti ollagi meie detailsema nägemisala mahuks. Vaatevälja keskosast üle 45 kraadi kõrvale kaldunud alad saavad ~10% visuaalsest infost e. kuni 400 tuhat infopunkti.

Värvide nägemisvõime hindamisel arvutasin laikude umbkaudset hulka. Üheks hüpoteetiliseks visuaalse korteksi alaks on 2x2 millimeetriste mõõtudega hüperkolumn, mis sisaldab muuhulgas rohkem kui 360 kraadi ulatuses reageerivaid lihtrakke. Kahtlasemaks teeb selle olemasolu selliste suurte korrapäraste ruudukujuliste moodustiste puudus, kuid tõenäoliselt said nad need numbrid keskmiste arvutamisega. Iga hüperkolumni suurusel pinnal on pakutud keskmiselt 16 laigu olemasolu.

Alguses loetletud numbrite järgi on 21 ruutsentimeetril 250 miljonit rakku. Primaarse visuaalse korteksi puhul peaks siis olema pindalaks ~41 ruutsentimeetrit e. 4100 ruutmillimeetrit, mis peaks mahutama 1000 hüperkolumnit e. 16 000 laiku. Kuklasagar ise moodustab ligikaudu viiendiku ajukoorest ehk 400 ruutsentimeetrit. Kui see sisaldaks laikusid sama tihedalt ning funktsiooniga, siis võib olla vähemalt 160 000 värvitajus osalevat punkti. Sedagi eeldusel, et teised ajukoore struktuurid värvitajus ei osale.

Hippokampus

Hippokampus (3D asukoht) ja amügdala asuvad oimusagaras ajukoore sisepiiril. Põhilise sisend- ja väljundinfo vahendajaks on amügdala kõrval asuv entorinaalne korteks (EC) ja hippokampuse kõrval asuv parahipokampaalne korteks (PHC). Mõlema poolkera hippokampused ühinevad kokku forniksisse.

Aktiivse ärkveloleku ja REM une ajal esineb hippokampuses teeta rütmi (4-10 hZ) vahemikku jäävaid ajulaineid.

Henry Molaison oli pärast peavigastust saanud ravile allumatu epilepsia. Selle raviks eemaldati osa tema hippokampusest ja entorinaalsest ajukoorest alad mõlemal poolkeral. Tema epilepsia vähenes, kuid ta kaotas suure osa oma sündmustemälust. Osaliselt kahjustusid ka operatsioonieelse perioodi mälestused. Paremini säilisid kaugemas minevikus toimunud sündmused nagu koolis käimine ja veidike suutis ta oma ülejäänud 55 eluaastal juurde õppida. (Raadiosaade temast) Tema lühimälus olevad asjad säilisid mõnest sekundist paari minutini sõltuvalt vahelesegamistest. Ta mäletas seda operatsiooni läbi viinud arsti nime ja ta oli teadlik sellest, et tema mälu oli teistest nõrgem ning see probleem oli alguse saanud mingist operatsioonist.
Üks asi mida ta suutis õppida oli ettenähtud objekti joonistamine peegelpildi järgi. Kolmandal harjutuspäeval oli ta selgelt paremaks saanud selles. Ta ise ei mäletanud selle varasemat harjutamist ja ei arvanud, et see nii lihtsalt läheb. Motoorne õppimine oli tema jaoks valdkond, milles ta suutis ka teistes olukordades kiiresti areneda. Hippokampus on inimesel 4-4,5 cm pikk ja temalt eemaldati otsmikupoolsed 2 cm. Allesjäänud osa tõenäoliselt ei funktsioneerinud, sest sisend ja väljundinfot vahendav osa oli eemaldatud. Amügdala oli ka eemaldatud. Teiste inimeste suhtes oli ta sõbralik ning ta ei kartnud neid. Ühe temaga töödanu järgi ei nutnud ta kordagi ja ka kurbust ei nähtud kuid oli viha ja rõõmu. Hippokampusega piirdunud kahjustustega ei leitud teistel inimestel tavaliselt nii põhjalikke mäluhäireid.

Hippokampuse väljundinfo teistele ajukoore aladele väljub peamiselt subikulumi kaudu ja sügavamal asuvate tuumadeni jõuab väljund peamiselt forniksi kaudu.
Hippokampuse suvalised piirkonnad saavad signaale umbes veerandi entorinaalse korteksi ulatuses.

Hippokampusesse paigutatud elektroodidega on katseloomadel leitud koharakke (place cell), mis aktiveeruvad, kui loom on kindlas ruumi osas. EC's asuvad sarnased grid (võre või võrgustik) rakud, mis aktiveeruvad ka kindlates kohtades, kuid moodustavad pigem mõõtkavalise aluse ümbrusekaardile.

Ülaloleval pildil on kujutatud seitsme "koharaku" aktiivsus kolmnurksel rajal. Must tähistab pea asendit.

Grid rakud aktiveeruvad korrapäraselt sõltumata spetsiifilistest keskkonnas olevatest objektidest. Nende aktiivsus kasvab korrapäraselt iga kindla distantsi läbimisel ning üksteise suhtes asuvad nende aktiveerumiskohad ruumis võrdkülgse kolmnurga või kuusnurga kujuliselt.

Vasakpoolsel joonisel on mustalt tähistatud roti liikumistee ja punaselt aktiveerunud GC. Vähemalt parempoolsel pildil on näidatud ainult ühe GC aktiivsus. Aktiivsusel ei paista seost üksiku kindla kohaga ning need aktiveeruvad iga natukese maa tagant. GC puhul on suhtelise distantsi ja suuna näitamisel rolli pakutud.

Rotil lasti liikuda 2 meetrise läbimõõduga ruumis ja samaaegselt mõõdeti kolme lähestikku olevat GC'd. Need ei aktiveerunud kõik samas kohas, kuid igal rakul oli korrapärane aktiveerumiskoht oma eelnevate aktiveerumiskohtade suhtes. Rottide kehapikkust sabaga arvestades aktiveeruvad need rakud umbes iga kehapikkuse läbimisel.

Selle võre punktide vahe sõltub mõõdetud piirkonnast entorinaalsel korteksil. Kui rottidel mõõdeti GC'e kõike dorsaalsemast osast (forniksi juures) peaaegu ventraalsema (amügdala poolse) osani (vaadeldi kuklapoolsemat 3/4), siis pärast 18 meetri jooksmist aktiveerusid kuklapoolsemad GC'd iga 50 cm tagant ja otsmikupoolsemad GC rakud iga 3 meetri tagant.

Hiljutisema leiuna (2008) leiti EC'st piirirakke (border cell). Need aktiveeruvad seinte ja teiste takistuste juures ning alla 10% EC rakkudest paistavad sellisena. Piirirakud asuvad läbisegi koos pea suunast sõltuvalt aktiveeruvate rakkude ja GC'dega.

Hippokampuse sisesed ühendused ei ole väga ranges ja ühtses järjekorras ning nende järgi ei oska ma hetkel midagi juurde oletada. Kuna iga hippokampuse osa saab laialt EC alalt signaale peaks hippokampuses toimuma nende signaalide seostamist.

Alumine pilt oli pärit artiklist, kus kirjeldati nikotiinsete atsetüülkoliini agonistide mälu parandavat toimet.



EC—entorhinal cortex, DG—dentate gyrus, PP—perforant pathway tähistab EC ja hippokampuse vahelisi ühendusi , TA—temporoammonic pathway, MF—mossy fibers, SC—Schaffer collaterals.