Viime vuosikymmeninä neurotiede on nähnyt hämmästyttäviä edistysaskeleita, ja silti aivojen kriittinen osa on edelleen mysteeri. Tarkoitan pikkuaivoa, joka on niin nimetty latinan kielestä "pienet aivot", joka sijaitsee kuin nuttura aivojen takaosassa. Tämä ei ole pieni huomio: pikkuaivot sisältävät kolme neljäsosaa kaikista aivojen hermosoluista, jotka ovat järjestäytyneet lähes kiteiseen järjestykseen, toisin kuin muualta löytyvästä sotkeutuneesta hermosoluista.

Ensyklopedian artikkeleita ja oppikirjat korostavat sitä tosiasiaa, että pikkuaivojen tehtävänä on hallita kehon liikettä. Ei ole epäilystäkään siitä, että pikkuaivoilla on tämä tehtävä. Mutta tutkijat epäilevät nyt, että tämä pitkäaikainen näkemys on likinäköinen.

Tai niin opin marraskuussa Washington DC:ssä osallistuessani tapahtumaan Neurotieteen seuran vuosikokous, maailman suurin neurotieteilijöiden kokous. Siellä neurotieteilijöiden pari järjesti a symposiumi äskettäin löydetyistä pikkuaivojen toiminnoista, jotka eivät liity moottorin ohjaukseen. Uudet kokeelliset tekniikat osoittavat, että liikkeen hallinnan lisäksi pikkuaivot säätelevät monimutkaista käyttäytymistä, sosiaalista vuorovaikutusta, aggressiota, työmuistia, oppimista, tunteita ja paljon muuta.

Halkeama hallitsevassa viisaudessa

Pikkuaivojen ja liikkeen välinen yhteys on tunnettu 19-luvulta lähtien. Potilailla, jotka kärsivät traumasta aivoalueelle, oli ilmeisiä vaikeuksia tasapainon ja liikkeen kanssa, mikä ei jättänyt epäilystäkään siitä, että se oli kriittinen liikkeen koordinoinnissa. Vuosikymmenien aikana neurotieteilijät ovat kehittäneet yksityiskohtaisen käsityksen siitä, kuinka pikkuaivojen ainutlaatuinen hermopiiri ohjaa motorista toimintaa. Selitys pikkuaivojen toiminnasta vaikutti vesitiiviältä.

Sitten vuonna 1998 lehdessä Aivot, neurologit raportoivat laaja-alaisia ​​tunne- ja kognitiivisia vammoja potilailla, joilla on pikkuaivovaurioita. Esimerkiksi vuonna 1991 22-vuotias naisopiskelija oli kaatunut luistellessaan; TT-skannaus paljasti kasvaimen hänen pikkuaivoissaan. Sen jälkeen kun se poistettiin kirurgisesti, hän oli täysin eri henkilö. Valoisa opiskelija oli menettänyt kykynsä kirjoittaa taitavasti, laskea mielessä, nimetä yleisiä esineitä tai kopioida yksinkertaista kaaviota. Hänen mielialansa tasaantui. Hän piiloutui peiton alle ja käyttäytyi sopimattomasti riisuutuen käytävillä ja puhuen vauvapuhetta. Myös hänen sosiaaliset vuorovaikutuksensa, mukaan lukien tuttujen kasvojen tunnistaminen, heikkenivät.

Tämä ja vastaavat tapaukset ihmettelivät kirjoittajia. Näiden korkean tason kognitiivisten ja emotionaalisten toimintojen ymmärrettiin olevan aivokuoressa ja limbisessä järjestelmässä. "Täsmälleen mikä tuo pikkuaivojen rooli on ja kuinka pikkuaivo suorittaa sen, on vielä selvittämättä", he päättelivät.

Huolimatta näistä kliinisistä tutkimuksista saaduista vihjeistä, että perinteinen viisaus oli väärällä tiellä, johtavat viranomaiset väittivät edelleen, että pikkuaivojen tehtävänä oli hallita liikettä eikä mitään muuta. "Se on tavallaan surullista, koska on kulunut 20 vuotta [näiden tapausten ilmoittamisesta]", sanoi Diasynou Fioravante, neurofysiologi Kalifornian yliopistosta Davisista, joka oli mukana järjestämässä konferenssisymposiumia.

Muut neurologit ovat havainneet neuropsykiatrisia puutteita potilaissaan koko ajan, neurotieteilijä sanoi Stephanie Rudolph Albert Einstein College of Medicine, joka järjesti symposiumin yhdessä Fioravanten kanssa. Ei kuitenkaan ollut kovia anatomisia todisteita siitä, kuinka pikkuaivojen ainutlaatuinen hermopiiri voisi mahdollisesti säädellä raportoituja psykologisia ja emotionaalisia toimintoja, joten kliiniset raportit jätettiin huomiotta.

Nyt pikkuaivojen virtapiirin parempi ymmärtäminen osoittaa, että tapaustutkimukset ovat oikeita ja hallitseva viisaus vääräksi.

Tarkkuusjohdotus

- johdotuskuvio pikkuaivoissa on tarkasti järjestetty ja tiivistetty keskittääkseen kolme neljäsosaa aivojen neuroneista 4 tuuman lohkoon. Pikkuaivojen pääasiallinen neuronityyppi, nimeltään Purkinje-solu, haarautuu laajalti kuin viuhkakoralli, mutta litistynyt ja lähes kaksiulotteinen. Tuulettimen siivet ovat neuronin dendriittejä, jotka vastaanottavat saapuvia signaaleja. Nämä litteät neuronit ovat järjestetty rinnakkain, ikään kuin miljoonia viuhkakoralleja olisi pinottu päällekkäin tiiviissä nipussa. Tuhannet pienet neuronit pyörittävät aksoneja – aivojen sähköimpulssien siirtokaapeleita – kohtisuoraan dendriittipinon läpi, kuten langat kangaspuussa. Jokainen aksoni yhdistyy kymmenien tuhansien Purkinje-solujen dendriitteihin.

Tämä yhteenliitettävyyden taso antaa pikkuaivojen 50 miljardille neuronille hämmästyttävän integraatiokyvyn. Tämä pikkuaivoille ainutlaatuinen piiri voi murskata valtavia määriä aisteilta tulevaa dataa säätelemään kehon liikkeitä. Lavan poikki hyppäävän baleriinan nestemäinen liike edellyttää, että pikkuaivot käsittelevät nopeasti tietoa kaikista aisteista samalla kun seurataan raajojen muuttuvia asentoja, säilytetään tasapaino ja kartoitetaan tilaa, jonka läpi keho liikkuu. Pikkuaivot käyttävät tätä dynaamista tietoa ohjatakseen lihaksia tarkalla ajoituksella ja tehdäkseen sen oikeaan sosiaaliseen kontekstiin tunteiden ja motivaation ohjaamana.

Fioravante ja Rudolph kertoivat minulle, että neurotieteilijät ymmärtävät nyt, että pikkuaivojen voimakas hermovirtapiiri, joka integroi tietoa kehon liikettä varten, varustaa sen myös käsittelemään monimutkaisia ​​mielenprosesseja ja käyttäytymistä.

"Esimerkiksi juuri nyt", Rudolph selitti, kun keskustelimme ennen symposiumin alkamista, "te esität kysymyksiä, ja me annamme vastauksia. Se on monimutkaista käytöstä." Hänen täytyi ymmärtää puheeni, muotoilla vastaus ja sitten käyttää lihaksia sanojen tuottamiseen. Hänen täytyi myös ottaa vastaan ​​kehonkieleni ja muita hienovaraisia ​​signaaleja. "Nyökkäät esimerkiksi juuri nyt, joten tästä voin päätellä, että kuuntelet ja olet kiinnostunut", hän sanoi.

En ollut aiemmin täysin ymmärtänyt puheen vaatiman moottorin ohjauksen monimutkaisuutta. Fyysisyys sisältää paitsi kielen ja huulten monimutkaisen voimistelun – äänen tuottamiseksi sekä äänenkorkeuden ja äänenvoimakkuuden säätämiseksi – vaan myös elehtimisen. Sanamme ovat ajoitettuja, jotta emme puhu toisesta henkilöstä, ja ne on säädelty sosiaalisen kontekstin mukaan: ne ovat täynnä oikeaa tunnetta ja motivaation, ajattelun, ennakoinnin ja mielialan ohjaamia.

Näiden erilaisten toimintojen koordinointi vaatii hyödyntämistä lähes kaikkeen, mitä aivot tekevät – sykkeen ja verenpaineen säätelystä, joka suoritetaan syvällä aivojen alueilla, limbisen järjestelmän suorittamaan aisti- ja tunnetiedon käsittelyyn. Se vaatii myös sitoutumista korkeimman tason kognitiivisiin toimintoihin, kuten ymmärrykseen, estoon ja päätöksentekoon prefrontaalisessa aivokuoressa.

Jotta pikkuaivo voisi tehdä tämän, sillä on oltava yhteydet, jotka kattavat koko aivot. Tähän asti todisteita siitä puuttui, mutta uudet tekniikat paljastavat näitä polkuja.

Sensorisen tulon keskus

Vain vuosikymmeniä sitten, kun neuroanatomit kartoittivat aivot, he eivät löytäneet suoria yhteyksiä pikkuaivoista tunteita ja kognitiota ohjaaviin aivojen alueisiin, kuten limbiseen järjestelmään ja eturintakuoreen. Tämä sai heidät uskomaan, että pikkuaivot olivat jossain määrin eristyksissä ja eivät osallistu näihin korkeampiin kognitiivisiin toimintoihin. Mutta aivan kuten rosvot voivat väistää jäljittäjää vaihtamalla ajoneuvoa, hermosignaalit voivat hypätä neuronista toiseen. Tämä salainen toiminta syrjäytti neuroanatomit pikkuaivojen jäljiltä.

Uudet menetelmät ovat antaneet neuroanatomitille mahdollisuuden jäljittää nämä reitit pikkuaivoilta välityspisteiden kautta ja seurata niitä koko aivoissa. Tutkijat voivat esimerkiksi istuttaa rabiesviruksia hermosoluihin nähdäkseen tarkasti, mihin muihin hermosoluihin he ovat yhteydessä. He ovat geneettisesti muokanneet fluoresoivia proteiineja välkkymään, kun hermoimpulssi syttyy, jotta he voivat nähdä liikenteen kulkua hermopiireissä. Ne voivat myös seurata hermosolujen liikenteen jättämiä jalanjälkiä: Neuronin syttyessä syntyvien proteiinien ulkonäkö voi auttaa tunnistamaan kaikki solut, jotka kommunikoivat hermoverkossa, kun tietty käyttäytyminen suoritetaan.

Symposiumissa tutkijat jakoivat joukon kiehtovia uusia löydöksiä, jotka paljastettiin näillä uusilla menetelmillä ja jotka osoittavat heidän kehittyvän ymmärryksensä pikkuaivoista.

Jessica Verpeut Arizonan osavaltion yliopistosta raportoivat tiedot, jotka kuvaavat monimutkaista ja laajaa pikkuaivojen yhteyksien verkostoa, jotka aktivoituvat koko aivoissa hiirillä, kun ne seurustelevat tai oppivat neuvottelemaan sokkelossa.

Rudolph jakoi kokeita, jotka osoittivat, että emojen käyttäytymiseen, jota tutkittiin naaraspuolisilla hiirillä, jotka hoitavat pentujaan, vaikuttivat pikkuaivoihin vaikuttavat hormonit, erityisesti oksitosiinihormoni, joka edistää emon sidoksia. Kun tämä mekanismi häirittiin kokeellisesti, emo ei enää huolehtinut pennuistaan.

Yi-Mei Yang Minnesotan yliopiston tutkija osoitti, että kun hän häiritsi tiettyjä pikkuaivojen hermosoluja, hiiret menettivät kiinnostuksensa olla tekemisissä heidän häkkiinsä tuotujen tuntemattomien hiirten kanssa. Heillä ei kuitenkaan ollut vaikeuksia olla vuorovaikutuksessa uusien elottomien esineiden kanssa ja muistaa niitä. Tämä osoitti puutetta monimutkaisessa sosiaalisen tunnustamisen muistissa, joka on samanlainen kuin autistiset ihmiset.

Itse asiassa pikkuaivot ovat usein pienempiä autistisilla ihmisillä ja Aleksandra Badura Rotterdamin Erasmus-yliopiston lääketieteellinen keskus esitti uusia tietoja, jotka viittaavat siihen, että pikkuaivot ovat osallisena autismissa, koska se on aistisyötteen keskus, erityisesti sosiaalisiin yhteyksiin liittyvien signaalien kannalta.

Tämä uusi tutkimus ylittää hiiren tutkimukset. Andreas Thieme Essenin yliopistosairaala Saksasta esitteli uuden kliinisen testin, jolla diagnosoidaan tarkasti pikkuaivovaurioiden aiheuttamat tunne- ja kognitiiviset häiriöt.

Nämä uudet, uraauurtavat tutkimukset osoittavat, että liikkeen hallinnan lisäksi pikkuaivot säätelevät monimutkaista sosiaalista ja emotionaalista käyttäytymistä. Tämän maailmanlaajuisen vaikutuksen saavuttamiseksi pikkuaivojen on oltava tietoja murskaava keskus, jolla on yhteyksiä kaikkialla aivoissa. Ei ihme, että siinä on niin paljon neuroneja. Tämän korkean tason komennon ja hallinnan suorittamiseksi yksinään sen täytyy itse asiassa olla vähän aivoja.