Aivojen perusteet: The Life and Death of a Neuron

Aivojen perusteet: The Life and Death of a Neuron

Request free mailed brochure

Introduction
The Architecture of the Neuron
Birth
Migration
Differentiation
Differentiation
Death
Hope Through Research

Introduction

Unthirty recent, most neuroscientists thought we were born with the neurons we were ever going to have. Lapsena saatamme tuottaa joitakin uusia neuroneja, jotka auttavat rakentamaan aivojen eri alueiden välisinä informaatioväylinä toimivia väyliä, joita kutsutaan hermopiireiksi. Tutkijat kuitenkin uskoivat, että kun hermopiiri on kerran muodostunut, uusien neuronien lisääminen häiritsisi tiedonkulkua ja lamauttaisi aivojen viestintäjärjestelmän.

Vuonna 1962 tutkija Joseph Altman kyseenalaisti tämän uskomuksen, kun hän näki todisteita neurogeneesistä (hermosolujen synnystä) aikuisen rotan aivojen alueella, jota kutsutaan hippokampukseksi. Myöhemmin hän raportoi, että vastasyntyneet neuronit vaelsivat syntymäpaikaltaan hippokampuksesta muihin aivojen osiin. Vuonna 1979 toinen tutkija, Michael Kaplan, vahvisti Altmanin havainnot rotan aivoissa, ja vuonna 1983 hän löysi hermosolujen esiastesoluja aikuisen apinan etuaivoista.

Nämä havainnot neurogeneesistä aikuisten aivoissa olivat yllättäviä muille tutkijoille, jotka eivät uskoneet, että ne voisivat pitää paikkansa ihmisillä. Mutta 1980-luvun alussa eräs tutkija, joka yritti ymmärtää, miten linnut oppivat laulamaan, ehdotti, että neurotieteilijät tarkastelisivat uudelleen neurogeneesiä aikuisten aivoissa ja alkaisivat nähdä, miten siinä voisi olla järkeä. Fernando Nottebohm ja hänen tutkimusryhmänsä osoittivat useissa kokeissa, että uroskanarialintujen etuaivojen hermosolujen määrä kasvoi dramaattisesti parittelukauden aikana. Tämä oli sama aika, jolloin lintujen oli opeteltava uusia lauluja houkutellakseen naaraita.

Miksi nämä lintujen aivot lisäsivät neuroneja oppimisen kannalta niin kriittisenä aikana? Nottebohm uskoi sen johtuvan siitä, että tuoreet neuronit auttoivat tallentamaan uudet laulukuviot etuaivojen hermopiireihin, aivojen alueelle, joka ohjaa monimutkaista käyttäytymistä. Nämä uudet neuronit mahdollistivat oppimisen. Jos linnut loivat uusia neuroneja, jotka auttoivat niitä muistamaan ja oppimaan, Nottebohm arveli, että myös nisäkkäiden aivot voisivat tehdä niin.

Muut tutkijat uskoivat, etteivät nämä havainnot voineet koskea nisäkkäitä, mutta Elizabeth Gould löysi myöhemmin todisteita siitä, että apinoilla oli uudissyntyisiä neuroneja erillisellä aivojen alueella, ja Fred Gage ja Peter Eriksson osoittivat, että aikuisen ihmisen aivot tuottivat uusia neuroneja samankaltaisella alueella.

Joillekin neurotieteilijöille aikuisten aivojen neurogeneesi on edelleen todistamaton teoria. Toisten mielestä todisteet tarjoavat kuitenkin kiehtovia mahdollisuuksia aikuisten tuottamien neuronien roolista oppimisessa ja muistissa.

Neuronin arkkitehtuuri

Keskushermosto (johon kuuluvat aivot ja selkäydin) koostuu kahdesta perustyypistä soluja: neuroneista (1) ja glioista (4) & & (6). Glioita on enemmän kuin neuroneja joissakin aivojen osissa, mutta neuronit ovat aivojen keskeisiä toimijoita.

Neuronit ovat informaation välittäjiä. Ne käyttävät sähköimpulsseja ja kemiallisia signaaleja välittääkseen tietoa aivojen eri alueiden välillä sekä aivojen ja muun hermoston välillä. Kaikki, mitä ajattelemme, tunnemme ja teemme, olisi mahdotonta ilman neuronien ja niiden tukisolujen, astrosyyteiksi (4) ja oligodendrosyyteiksi (6) kutsuttujen gliasolujen, työtä.

Neuroneissa on kolme perusosaa: solurunko ja kaksi uloketta, joita kutsutaan aksoniksi (5) ja dendriitiksi (3). Solurungon sisällä on tuma (2), joka ohjaa solun toimintaa ja sisältää solun geneettisen materiaalin. Aksoni näyttää pitkältä hännältä ja välittää solun viestejä. Dendriitit näyttävät puun oksilta ja vastaanottavat viestejä solulle. Neuronit kommunikoivat keskenään lähettämällä kemikaaleja, joita kutsutaan välittäjäaineiksi, vierekkäisten neuronien aksonien ja dendriittien välisen pienen tilan, synapsin, läpi.

Neuroneja on kolmea eri luokkaa:

1. Aistineuronit kuljettavat informaatiota aistielimistä (esim. silmistä ja korvista) aivoihin.
2. Motoriset neuronit ohjaavat tahdonalaista lihastoimintaa, kuten puhumista, ja ne kuljettavat viestejä aivojen hermosoluista lihaksiin.
3. Kaikkea muuta neuronia kutsutaan interneuroneiksi.

Tutkijat ajattelevat, että neuronit ovat elimistön monipuolisin solutyyppi. Näiden kolmen hermosoluluokan sisällä on satoja erilaisia hermosolutyyppejä, joilla kullakin on erityiset viestiä välittävät kyvyt.

Miten nämä hermosolut kommunikoivat toistensa kanssa luomalla yhteyksiä, se tekee meistä jokaisesta ainutlaatuisen sen suhteen, miten ajattelemme, tunnemme ja toimimme.

Syntyminen

Missä määrin aivoissa syntyy uusia hermosoluja, on kiistanalainen aihe neurotieteilijöiden keskuudessa. Vaikka suurin osa neuroneista on aivoissa jo syntymähetkellä, on näyttöä siitä, että neurogeneesi (tieteellinen sana neuronien syntymiselle) on elinikäinen prosessi.

Neuroneja syntyy aivojen alueilla, joissa on runsaasti hermoston esiasteiden soluja (joita kutsutaan myös hermoston kantasoluiksi). Näillä soluilla on potentiaalia synnyttää suurin osa, ellei jopa kaikki, aivoissa esiintyvistä erityyppisistä neuroneista ja solukalvoista.

Neurotieteilijät ovat havainneet, miten neuraaliset esiastesolut käyttäytyvät laboratoriossa. Vaikka tämä ei ehkä olekaan täsmälleen sitä, miten nämä solut käyttäytyvät, kun ne ovat aivoissa, se antaa meille tietoa siitä, miten ne voisivat käyttäytyä, kun ne ovat aivojen ympäristössä.

Tutkimus kantasoluista on vielä hyvin uutta, ja se voi muuttua uusien löydösten myötä, mutta tutkijat ovat oppineet tarpeeksi, jotta he voivat kuvata, miten neuraaliset kantasolut synnyttävät muita aivojen soluja. He kutsuvat sitä kantasolujen sukupuuksi, ja se muistuttaa periaatteessa sukupuuta.

Neuraaliset kantasolut lisääntyvät jakautumalla kahtia ja tuottamalla joko kaksi uutta kantasolua tai kaksi varhaista kantasolua tai yhden kummastakin.

Kun kantasolu jakaantuu tuottaakseen toisen kantasolun, sen sanotaan uudistuvan itsestään. Tällä uudella solulla on mahdollisuus tuottaa lisää kantasoluja.

Kun kantasolu jakautuu tuottaakseen varhaisen esisolun, sen sanotaan erilaistuvan. Erilaistuminen tarkoittaa, että uusi solu on muodoltaan ja toiminnaltaan erikoistuneempi. Varhaisella esisolulla ei ole kantasolun potentiaalia tehdä monia erilaisia solutyyppejä. Se voi tehdä vain tietyn linjansa soluja.

Varhaiset esisolut voivat uudistua itsestään tai mennä jommallakummalla tavalla. Toisesta tyypistä syntyy astrosyyttejä. Toinen tyyppi tuottaa lopulta neuroneja tai oligodendrosyyttejä.

Migraatio

Neuronin synnyttyä sen on kuljettava aivoissa paikkaan, jossa se tekee työtään.

Miten neuroni tietää minne mennä? Mikä auttaa sitä pääsemään sinne?

Tutkijat ovat havainneet, että neuronit käyttävät ainakin kahta erilaista tapaa matkustaessaan:

1. Jotkut neuronit vaeltavat seuraamalla säteittäisglioiksi kutsuttujen solujen pitkiä kuituja. Nämä kuidut ulottuvat aivojen sisimmistä kerroksista uloimpiin kerroksiin. Neuronit liukuvat kuituja pitkin, kunnes ne saavuttavat määränpäänsä.
2. Neuronit liikkuvat myös käyttämällä kemiallisia signaaleja. Tutkijat ovat löytäneet neuronien pinnalta erityisiä molekyylejä — adheesiomolekyylejä — jotka sitoutuvat läheisten gliasolujen tai hermoaksonien samanlaisiin molekyyleihin. Nämä kemialliset signaalit ohjaavat neuronin lopulliseen sijaintiinsa.

Eivät kaikki neuronit onnistu matkallaan. Tutkijat uskovat, että vain kolmannes saavuttaa määränpäänsä. Jotkut solut kuolevat hermosolujen kehitysprosessin aikana.

Jotkut hermosolut selviävät matkasta, mutta päätyvät sinne, missä niiden ei pitäisi olla. Mutaatiot muuttoliikettä ohjaavissa geeneissä synnyttävät väärässä paikassa olevia tai oudosti muodostuneita hermosolujen alueita, jotka voivat aiheuttaa häiriöitä, kuten lapsuusiän epilepsiaa. Jotkut tutkijat epäilevät, että skitsofrenia ja oppimishäiriö dysleksia ovat osittain seurausta väärin ohjautuneista neuroneista.

Differentiaatio

Kun neuroni on saapunut määränpäähänsä, sen on asettauduttava työskentelemään. Tämä erilaistumisen viimeinen vaihe on neurogeneesin vähiten tunnettu osa.

Neuronit vastaavat välittäjäaineiden – kemikaalien, jotka välittävät tietoa aivosolujen välillä – kuljettamisesta ja ottamisesta.

Sijainnistaan riippuen neuroni voi toimia aistineuronina, liikehermosoluna tai sisäsoluna lähettämällä ja vastaanottamalla tiettyjä välittäjäaineita.

Kehittyvissä aivoissa neuroni on riippuvainen muiden solujen, kuten astrosyyttien, antamista molekyylisistä signaaleista, jotka määräävät sen muodon ja sijainnin, sen tuottaman lähettimen tyypin ja sen, mihin muihin neuroneihin se liittyy. Nämä vastasyntyneet solut luovat hermopiirejä – tai hermosolua hermosoluun yhdistäviä informaatioreittejä – jotka pysyvät paikoillaan koko aikuisuuden ajan.

Mutta aikuisten aivoissa hermopiirit ovat jo kehittyneet, ja hermosolujen on löydettävä tapa sopeutua niihin. Kun uusi neuroni asettuu paikalleen, se alkaa näyttää ympäröiviltä soluilta. Se kehittää aksonin ja dendriittejä ja alkaa kommunikoida naapureidensa kanssa.

Kuolema

Vaikka neuronit ovat elimistön pisimpään eläviä soluja, suuri osa niistä kuolee migraation ja erilaistumisen aikana.

Joidenkin hermosolujen elämässä voi tapahtua epänormaaleja käänteitä. Jotkin aivosairaudet ovat seurausta neuronien epäluonnollisesta kuolemasta.

– Parkinsonin taudissa hermosolut, jotka tuottavat välittäjäainetta dopamiinia, kuolevat basaaliganglioissa, kehon liikkeitä kontrolloivalla aivoalueella. Tämä aiheuttaa vaikeuksia liikkeiden käynnistämisessä.

– Huntingtonin taudissa geneettinen mutaatio aiheuttaa glutamaatti-nimisen välittäjäaineen ylituotantoa, joka tappaa hermosoluja basaaliganglioissa. Tämän seurauksena ihmiset vääntyvät ja kiemurtelevat hallitsemattomasti.

– Alzheimerin taudissa epätavallisia proteiineja kerääntyy neuroneihin ja niiden ympärille neokorteksissa ja hippokampuksessa, aivojen osissa, jotka hallitsevat muistia. Kun nämä neuronit kuolevat, ihmiset menettävät muistamiskykynsä ja kykynsä tehdä jokapäiväisiä tehtäviä. Aivojen ja muiden keskushermoston osien fyysiset vauriot voivat myös tappaa tai lamauttaa neuroneja.

– Aivoihin kohdistuvat iskut tai aivohalvauksen aiheuttamat vauriot voivat tappaa neuronit kokonaan tai ne voivat hitaasti jäädä ilman happea ja ravintoaineita, joita ne tarvitsevat selviytyäkseen.

– Selkäydinvaurio voi katkaista kommunikaation aivojen ja lihasten välillä, kun neuronit menettävät yhteytensä aksoneihin, jotka sijaitsevat vammakohdan alla. Nämä neuronit voivat vielä elää, mutta ne menettävät kykynsä kommunikoida.

Tutkimuksen kautta toivoa

Tutkijat toivovat, että ymmärtämällä enemmän neuronien elämästä ja kuolemasta he voivat kehittää uusia hoitomuotoja ja mahdollisesti jopa parannuskeinoja aivosairauksiin ja -häiriöihin, jotka vaikuttavat miljoonien amerikkalaisten elämään.

Nykyaikaisimmat tutkimustulokset viittaavat siihen, että neuraaliset kantasolut pystyvät tuottamaan monia, joskaan eivät kaikkia, aivoissa ja hermostossa esiintyviä erityyppisiä neuroneita. Oppimalla manipuloimaan näitä kantasoluja laboratoriossa tietyntyyppisiksi neuroneiksi voitaisiin tuottaa uusia aivosoluja kuolleiden tai vaurioituneiden solujen tilalle.

Hoitoja voitaisiin luoda myös hyödyntämään aivojen sisällä olevia kasvutekijöitä ja muita signalointimekanismeja, jotka käskevät esiasteiden soluja tuottamaan uusia neuroneja. Tämä mahdollistaisi aivojen korjaamisen, uudelleenmuotoilun ja uudistamisen sisältä käsin.

Tietoa muista neurologisista sairauksista tai National Institute of Neurological Disorders and Stroke -instituutin rahoittamista tutkimusohjelmista saat ottamalla yhteyttä instituutin aivoresurssi- ja tietoverkkoon (Brain Resources and Information Network, BRAIN) osoitteessa:

BRAIN
P.O. Box 5801
Bethesda, MD 20824
(800) 352-9424
www.ninds.nih.gov

Top

Prepared by:
Office of Communications and Public Liaison
National Institute of Neurological Disorders and Stroke
National Institutes of Health
Bethesda, MD 20892

NINDS:n terveyteen liittyvää aineistoa tarjotaan ainoastaan tiedotustarkoituksessa eikä se välttämättä edusta National Institute of Neurological Disorders and Stroke:n tai minkään muunkaan liittovaltion viraston hyväksyntää tai virallista kantaa. Yksittäisen potilaan hoitoa tai huolenpitoa koskevat neuvot tulisi hankkia konsultoimalla lääkäriä, joka on tutkinut kyseisen potilaan tai joka tuntee potilaan sairaushistorian.

Kaikki NINDS:n laatima tieto on julkista ja sitä saa vapaasti kopioida. NINDS:n tai NIH:n mainintaa arvostetaan.