Vurrude signaalirajad

Vurrudele vastav ala on seni ainuke somatosensoorne rada, kus ma olen leidnud kehaosa orientatsiooni esimesest sensoorsest tuumast ajukooreni. Tsütokroom oksidaasi värvimisega närilistes on vähemalt osades nendes tuumades selgelt näha eri vurrude alad omaette tumeda kogumikuna, mida nimetatakse tünniks või tünnikeseks (barrel, barrelette).
Kokkuvõtlikult paistis vurrude asetus kolmiknärvi tuumas ninaosaga keha kesktasapinna suunas ja vurrude alaosa kukla pool. Taalamuses oli ninaotsa suund aju alaosa suunas, vurrude alaosa otsmiku suunas ja ülaosa kukla suunas. Ajukoorel on ninaots otsmiku suunas ja ülalt alla vurruread vastavalt ajukoorel pea küljelt poolkerade vahe suunas.

Kolmiknärvi ganglionis (kolmiknärvi neuronite rakukehade kogum, mis asuvad väljaspool ajutüve) on umbkaudne somatotoopsus, kus näo alaosa on dorsaalselt ja näo ülaosa ganglioni ventraalsel poolel (allikas). Vurrude esinemisel peaks need sarnase korrapäraga esinema.

Osade kolmiknärvi rakukehad ei asu selles ganglionis vaid keskaju kolmiknärvi tuumas (Mes V) olles ühed vähesed primaarsed sensoorsed rakud, mille rakukehad asuvad kesknärvisüsteemis. Selle tuuma neuronid kontrollivad peamiselt mälumislihaseid ja silmi liigutavaid lihaseid. Osad hammaste ja suu piirkonna retseptorid on samuti selle tuumaga ühenduses. Mes V ise on muuhulgas ühenduses põhilise kolmiknärvi tuuma dorsomediaalse osaga, ponsi-medulla retikulaarse formaatsiooniga ja ülaküngastega.       

Mes V all asuvad järjest põhiline kolmiknärvi tuum (PrV) ja spinaalne kolmiknärvi tuum, mis jaguneb oraalseks (SpVo), interpolaarseks (SpVi) ja kaudaalseks (sabapoolseks) osaks (SpVc). Vurrude alad (tsütokroom oksidaasiga tumedaks värvuvad) on olemas PrV ja SpVc sees kuid SpVo ja SpV sees neid ei paista.

 

Vurrud on järgnevatel illustratsioonidel värvitud ülalt alla rohelisest siniseni ning tumedamalt või suurema numbriga vurrud on ninale lähemal.

A pildil on näha kaks põhilist vurrudest signaali saavat ala kolmiknärvi tuuma sees. B osas on näha koronaaltasapinnal lõigatud ajutüvi pärast tsütokroom oksidaasi värvimist nähtavaks saadud vurrualadega.  Nende suhteline asetus paistab sarnasena läbi PrV ja SpV. Vurrudelt signaale toov närv hargneb kaheks minnes eraldi PrV ja SpV sisse. Osad kiud on ühenduses ainult ühe tuumaga ja mõni teine on mõlema tuumaga ühenduses. Iga värvunud ala sees on suhteliselt väikesed neuronid, mille dendriidid jäävad sama ala piiresse. Umbes kolmandik vurrude signaalide vahendusega tegelevatest neuronitest asuvad nende „tünnide“ (barrelette) vahelistes alades olles suurema dendriidivõrastikuga saades signaale mitmelt vurrult.

SpVi sees olevad ühelt vurrult signaale saavate rakkude väljundsignaalid on ühenduses kolmiknärvi tuuma mõne teise osaga kuid suured mitmelt vurrult signaale saavad rakud on ühenduses kaugemate aju osadega. SpVc sisaldab GABA ja glütsiini sisaldavaid neuroneid, mis inhibeerivad SpVi rakke ja SpVi neuronid võivad samade ainetega  inhibeerida PrV tuuma kuid SpVc võib neid tuumasid samas glutamaadiga stimuleerida. Võimalik, et SpV saab oma inhibeerivate ja stimuleerivate rakkudega reguleerida PrV tundlikkust vurrude tegevusele ning teiseks selliseks PrV reguleerijaks on somatosensoorne korteks.   

PrV väljundsignaalid on inhibeeritud vurrudega aktiivselt uurimise ajal, mis võib näidata tahtlike tegevuste inhibeerivat toimet PrV rakkudele.

PrV rakud kaotavad nõrga kontakti korral kiiresti tundlikkust kuid tugevama taju tekitamisel on vähem tundlikkuse kaotust. 

Kolmiknärvi tuumad on ühenduses paljude lähedal olevate aladega ning sealhulgas näonärvi tuuma lateraalse osaga (osaleb vurrude liigutamises), mis saab signaale kõigilt neljalt kolmiknärvi tuuma osalt (Mes V tuuma vist ei arvestatud siin) ning põhiliselt on kolmiknärvi tuum näonärvi tuumaga ühenduses SpVc osaga.

Vurrude rada läbi taalamuse

Vurrude signaalid jõuavad kolmiknärvist ajukooreni läbi 2 taalamuse tuuma. Üheks neist on ventroposterimediaalne (VPM) tuuma, mis on pea piirkonna somatosensoorsete signaalide vahendaja taalamuse all ja keskosa pool. Teine oluline taalamuse osa on mediaalne posterioorne (keskel taga) tuum (illustratsioonidel Pom), mis reageerib stiimulitele  aeglasemalt kui VPM.

A, B ja C tähistavad vastavalt täiskasvanud roti, hiire ja jänese vurrualade orientatsiooni neljandas kihis. Tumedamad värvid tähistasid ninale lähedasemaid vurre. Roti puhul esineb nende vahel selgemaid vahealasid kui hiirel ja jänesel ei paista üksteisest eraldiseisvaid vurru „tünne“ ning ühe vurru alad lähevad sujuvalt üle teise vurru alaks.

D osas on näidatud umbkaudsed vurrule vastavad alad vurrude primaarsel motoorsel korteksil (wM1), vurrude primaarsel somatosensoorsel korteksil (wS1) ja sekundaarsel somatosensoorsel korteksil (wS2). Punasega tähistati C2 vurr, mis asub keskmisel vurru real ninast eemal ning siniselt E2 vurr, mis on ninast sama kaugel ja kõige alumisel vurru real.   

D2 ja D3 osas kasutati raku laengust sõltuvat värvi, mille järgi tekitas vurru aktiveerumine esimese 10 millisekundiga kohaliku aktiveerumise kuid mis levis paarikümne millisekundiga üle kogu vurrudele vastava ala M1 ja S1 sees.

Vurru signaalid levivad ajukooreni otseselt või kaudselt läbi vähemalt 6 eri raja, mis on pildi E osas on värviliste nooltega näha ühenduste suhteline proportsioon nende paksusega. Suunanoolte puhul on R otsmiku suund, D pea ülaosa suund ja L pea külje suund. Need ~6 rada ise vahendavad mingil määral erinevaid signaale. VPM rakud võivad signaale saada nii üksikult kui mitmelt vurrult kuid Pom rakud saavad signaale ainult mitmelt vurrult.

Taalamuse reas on LD laterodorsaalne taalamuse tuum, VPMh on peale vastav VPM osa, VPMdm on VPM dorsomediaalne osa ja VPMvl ventrolateraalne osa.

Vurrude muster on näidatud taalamuse ja kolmiknärvi tuuma osades, kus need olid värvimisega nähtavad (kui neid mustreid ei paista, siis see piirkond saadab signaale hägusemalt paljudelt vurrudelt). Need on näiteks nähtavad VPMdm sees kuid kaovad VPMvl läheduses. Sellega seoses on VPMdm põhiliselt üksikvurrudelt signaale saav. VPMvl rakud saavad signaale nendelt SpVc rakkudelt, mis said signaale korraga paljudelt vurrudelt.  

Iga eristatava „tünnikese“ sees on rakud eelistatud liikumissuuna järgi asetsevad.

Pom ise on ühenduses näiteks insula ja striaatumiga. Pom rakud saavad signaale laiemalt vurrualalt ja reageerivad VPM’st aeglasemalt. Kui VPM aktiveerub ~4-8 ms pärast vurru puudutust, siis Pom rakud reageerivad ~20-27 ms pärast puudutust ning on varieeruvama aktiivsusega kui VPM rakud. Ajukoorel paistab suurem kontroll Pom üle.

LD saadab signaale edasi põhiliselt singulaatkorteksile (otsmiku osast kuklapoolse osani) ja veidi primaarsele somatosensoorsele korteksile. LD tavalised ühendused on selliste aladega, mis on tihedamalt hippokampuse ja frontaalkorteksiga ühenduses.  

Taalamust ümbritsev retikulaarne tuum (RT) omab somatotoopsust, kus paistab suur vurrude muster. VPM ja Pom on RT’ga kahepoolses ühenduses ning RT ise inhibeerib endaga ühenduses alasid. Vähemalt VPM puhul on ühe vurru ala ühenduses RT sama vurru alaga ning RT inhibeerib VPM’s seda vurru ala. RT on kõrge sageduse korral kiiremini tundlikkust kaotav kui VPM ja suur aktiivsus võib seetõttu tekitada suuremat aktiivsust VPM sees, sest RT ei inhibeeri seda ala enam nii tugevalt. 

Ajukoorel:

Primaarse somatosensoorse (S1) olemasolu on muuhulgas oluline vurrudega asukohtade tuvastamises.

Iga tünnike on hiirel ~0,25 millimeetrit (~6000 neuronit) ja rotil ~0,4 millimeetrit (~20 000 neuronit). Hiirel on neuronid enamjaolt selle servades ja keskosa on tühjem. Rottidel on need ühtlaselt (rakkude paigutus ei paista toimises väga oluline).  

Tünnid ise on peaaegu ainult neljanda ajukoore kihi sees kuid nende kohal olevad 2. ja 3. kihi rakud võivad olla ühenduses kaugemate naaberalade rakkudega.

Kui tünn saab rangelt ühe kindla vurru signaale, siis nendevahelised alad saavad signaale rakkudelt, mis vahendasid hägusemalt mitme vurru signaale. S1 peal vurru tünnikesed on ühenduses motoorsel korteksil sama vurru liigutajaga. Seejuures on S1 pealmised 1.-3. kiht enamasti ühenduses motoorse korteksi alumise kahe kihiga ja S1 alumised 2 kihti M1 ülemise paari kihiga.

Hiirtel ja rottidel on tünnid eristatavad kuid mõnel teisel liigil nagu jänesel on need hajusamalt ülekattuvate piiridega.

6. kiht wSI sees on ühenduses taalamuse RT tuumaga (5. kiht ei paista taalamuse osadega otse ühenduses olev). Need 6. kihi signaalid põhjustavad RT aktiveerumist ja vastava RT ala poolt reguleeritud taalamusest ajusse vahendava rakkude aktiivsuse vähenemist.

Sekundaarse somatosensoorse korteksi sees on vurrude ala korrapäraselt ning vurruala katab sellest ~15%. Nende retseptsiivväljad on suuremad kui wSI sees ning tavaliselt reageerivad samad kohad ühtlaselt sarnaselt mitme kõrvuti asuva vurru puudutusel. Ühe vurru puudutusel on wSI rakud tundlikumad kuid wSII puhul paistab suurem valivus liigutamise suuna suhtes. Reaktsiooniaeg on wSI ja wSII vahel sarnane. Samas wMI reageerib ~10-20 ms aeglasemalt kui wSI.  

Kaudsemalt võib wMI näonärvi tuumaga ühenduses olla ülaküngaste ja ponsi-medulla retikulaarse formatsiooni vahendusel. Vurrude M1 5. kiht on ühenduses näonärvi tuumaga (ning teiste aladega mis ei ole taalamuses ega ajukoores) ja 6. kiht taalamusega.

Näonärvi tuumas

Vurrude liigutamise kontroll käib läbi näonärvi tuuma lateraalse osa. Umbes 80% selle rakkudest, mis liigutavad vurre tekitavad üksikvurru liikumist ettepoole. Umbes 20% rakkudest põhjustavad mitme vurru tahapoole tõmbamist.

Üksikud neuronid lateraalses näonärvi tuumas põhjustavad kiireid lühiajalisi ja stereotüüpseid liigutusi kuid MI neuronid põhjustavad aeglasemaid, väiksemaid ja kauem püsivaid liigutusi (elektriline stimulatsioon võib tekitada midagi uuriva liikumise laadset). MI on hõredalt ühenduses lateraalse näonärvi tuumaga ning vurrude rütm püsib ka MI eemaldusel (kuigi vurrude liigutustes võib kaduda sünkroonsus). Rütmi alahoidjaks võib olla dorsaalne raphe tuum, mis saadab serotoniini näonärvi tuumale. Serotoniini saamisel aktiveeruvad näonärvi neuronid kergemini ning serotoniini blokeerimine vähendab vurrude liikumist wMI stimuleerimise järgselt.  

Näide serotoniini HT1 ja HT2 antagonisti metergoliini mõjust vurrulihastele. Mõõdeti lihaste elektrilist aktiivsust ja metergoliini süstiti näonärvi tuuma sisse.

Basaalganglias

Tumedama värviga ribad on ninaotsale lähemal. Dorsolateraalne (ülal külgmiselt) on dl ja ventromediaalne (ajus allpool ja keskel) on vm. Striaatumi somatotoopsus on hägusem aga üldiselt paistavad ülemised vurruread pigem striaatumi küljel ja tagumised (vist kuklapoolsed) read striaatumis ülasuunas.

Mustad täpid tähistavad vasakus wSI oleva B2 vurruala värvimisel värvunud piirkonda. Ühendused olid mõlemapoolsed aga veidi tihedamad samas poolkeras.

Sama rea vurrude alad on ülekattuvad kuid eri ridade vurrude puhul on vähem ülekattuvust.

Subtalaamses tuumas on somatotoopsus hägusem, sest selle külgmised neuronid, mis reageerivad vastaskülje vurru puudutusele reageerivad ka esijäseme või sama külje vurru puudutusele.

Keskaju ülaküngastes

Ülaküngaste (SC ehk superior colliculus) pealmised kihid saavad sensoorseid signaale ja selle sügavamad kihid lähevad sujuvalt üle motoorsele funktsioonile. SC saab signaale muuhulgas kõigilt kolmiknärvi alatuumadelt ja saadab signaale muuhulgas näonärvi tuumale. Suuremateks sisendsignaalide saatjateks on väikeaju tuumad ja motoorne korteks.

SC põhjustab kõige ilmsemalt silmade ja ülakeha pöördumist kindla vaatevälja osa suunas kuid on võimalik see kaasab sellisel juhul ka somatosensoorse närvisüsteemi tähelepanu. Näiteks närilistel põhjustab SC keskmise või sügava kihi stimulatsioon pikemaajalist vurrude ette suunamist.

Väikeajus

A osas on näidatud väikeaju korteksi aktiivsus enne ja pärast keskaju täielikku läbi lõikamist. B osas on näha lihtsate (17-150 Hz) ja komplekssignaalide (~1-3 Hz) sagedus väikeaju purkinje rakkudes. C osas on näidatud mõlemad signaalitüübid samade värvidega nagu B osas ja kus neid sai mõõta vurrude keskmise C rea puudutamisel. Täpset somatotoopsust ei paista ning see on killunenud paljude väikeaju piirkondade vahel nagu ka ülejäänud keha väikeajus.

Komplekssignaalid tekivad ronivate kiududega, mis algavad inferioorsest oliivist (ühenduses kolmiknärvi tuumadega välja arvatud PrV’ga) ja iga selline on ühenduses ühe purkinje rakuga. Roniva kiu signaalile järgneb väga tõenäoliselt komplekssignaal. Teised ajust väikeajusse signaale toovad rakud tekitavad pigem paljudes purkinje rakkudes mitme millimeetri raadiuses lihtsate signaalide teket.

Ronivad kiud ei ole eriti somatotoopsed. Nendega ühenduses purkinje rakk võib küll reageerida ühe vurru puudutusel kuid naabruses olev purkinje rakk võib aktiveeruda suvalise teise vurru või harva mitme vurru puudutusel (kui vurrud asuvad samas rivis).

Kolmiknärvi tuumad omavad otseseid ühendusi sama külje väikeaju korteksiga.

Teised tuumad

Ponsi tuumad on tähistatud 18 juures asudes ponsi alapiiri ja väikeaju kinnituskoha piirkonnas.

See piirkond saab signaale tervelt sama kehapoole ajukoore 5. kihilt ning saadab need „kõik“ edasi väikeaju mõlemale küljele (rohkem vastasküljele). Üldiselt on eri ajukoore alad ühenduses eri ponsi tuumadega ning üksikvurrude alade omaette esinemine võib olla võimalik kuigi sellest on leitud ka naabervurrude alade ülekattumist. 

Somatotoopsus võib olla midagi ajukoore ja väikeaju somatotoopsuse vahepealset.

Väikeaju signaalid lähevad tagasi ponsi tuumadele.

Ponsi tuumadest kukla poole jääb ponsi retikulaarne formatsioon (PRF), mis saab enamuse signaalidest väikeaju tuumadest. Teised sisendsignaalid tulevad mujal olevast retikulaarsest formatsioonist, ülaküngastest ja mõlema poolkera singulaatkorteksist (tähelepanuks ja keskendumiseks vajalik) ning vähemal määral sama poolkera motoorselt korteksilt (ajukoore puhul 5. kihi rakkudelt). PRF on ühenduses väikeaju sama poole korteksi ja tuumadega ning mõlemapoolselt näonärvi tuuma lateraalse osaga. 

Taalamuse all asuv zona incerta (ZI) sisaldab mitut osalist või täielikku vurrude somatotoopsust. ZI rakud sisaldavad põhiliselt GABA ja inhibeerivad taalamuses puhkeolekus Pom tuuma. Aktiivsel liikumisel inhibeerib wMI ala ZI rakke, mis vähendab inhibitsiooni Pom osas ning aktiveerib sealseid rakke aktiivsel perioodil. Atsetüülkoliini eritavad tuumad nagu PPT võivad samuti ZI inhibeerida. Osad ZI rakud saadavad glutamaati basaalgangliasse.  

Oma asukoha ja inhibeeriva toime tõttu on ZI üldiselt peaaegu kogu ajutüve ja suuraju vahelise signaaliliikluse reguleerija.

Keskaju punased tuumad kontrollivad ülakeha liikumist ning selle suurerakuline osa saab signaale wSI ja wMI seest ning saadab signaalid edasi vastaskülje jäsemele. Väikserakuline punase tuuma osa saab signaale väikeaju tuumalt (dentate nucleus) ja saadab need edasi vastaskülje näonärvi tuumale.  

Punasel tuumal ei paista vurrude liigutamise osas järjepidevat mõju.