3.4 Heilinn og mænan

3.4 Heilinn og mænan

Heilinn er afar flókið líffæri sem samanstendur af milljörðum samtengdra taugafrumna og taugatróðsfrumna. Hann er tvíhliða bygging sem má skipta í aðgreind blöð. Hvert blað tengist ákveðnum tegundum starfsemi, en að lokum vinna öll svæði heilans saman og mynda grunn hugsana okkar og hegðunar. Í þessum hluta ræðum við heildarskipulag heilans og starfsemi ólíkra heilasvæða og byrjum á því sem líta má á sem framlengingu heilans: mænunni.

Mænan

Segja má að mænan tengi heilann við umheiminn. Vegna hennar getur heilinn haft áhrif á líkamann. Mænan er eins og boðskiptastöð, en mjög snjöll slík. Hún beinir ekki aðeins boðum til og frá heilanum, heldur hefur hún einnig eigið kerfi sjálfvirkra ferla, sem kallast viðbrögð.

Efst í mænunni er taugabúnt sem rennur saman við heilastofninn, þar sem grunnferlum lífsins, svo sem öndun og meltingu, er stjórnað. Í hina áttina endar mænan rétt neðan við rifbeinin; ólíkt því sem búast mætti við nær hún ekki alla leið niður að neðsta hluta hryggjarins.

Mænan er starfrænt skipulögð í 30 hluta sem samsvara hryggjarliðunum. Hver hluti er tengdur tilteknum líkamshluta í gegnum úttaugakerfið. Taugar greinast út frá hryggnum við hvern hryggjarlið. Skyntaugar bera boð inn; hreyfitaugar senda boð út til vöðva og líffæra. Boð ferðast til og frá heilanum í gegnum hvern hluta.

Sum skynboð eru afgreidd strax í mænunni, án nokkurs inntaks frá heilanum. Að draga sig frá heitum hlut og hnéviðbragðið eru tvö dæmi. Þegar skynboð uppfyllir ákveðin skilyrði setur mænan af stað sjálfvirkt viðbragð. Boðið fer frá skyntauginni til einfaldrar vinnslustöðvar, sem setur af stað hreyfiboð. Sekúndur sparast vegna þess að boðin þurfa ekki að fara til heilans, vera unnin þar og send til baka. Þegar líf liggur við gera mænuviðbrögð líkamanum kleift að bregðast óvenju hratt við.

Mænan er varin af beinóttum hryggjarliðum og umlukin heila- og mænuvökva, en meiðsli geta samt orðið. Þegar mænan skaddast í tilteknum hluta rofnar samband allra neðri hluta við heilann og það veldur lömun. Því neðar sem skemmdin verður í hryggnum, þeim mun minni starfsemi missir hinn slasaði einstaklingur.

Taugamótanleiki

Bob Woodruff, fréttamaður hjá ABC, hlaut alvarlegan heilaáverka eftir að sprengja sprakk við hliðina á farartækinu sem hann var í við fréttaflutning í Írak. Af þessum áverkum hlaut Woodruff margvíslega vitræna skerðingu, þar á meðal erfiðleika með minni og mál. Með tímanum og mikilli hugrænni þjálfun og talþjálfun hefur Woodruff þó náð ótrúlegum bata á starfsemi (Fernandez, 2008, 16. október).

Einn af þeim þáttum sem gerðu þennan bata mögulegan var taugamótanleiki. Taugamótanleiki vísar til þess hvernig taugakerfið getur breyst og aðlagast. Taugamótanleiki getur átt sér stað á margvíslegan hátt, meðal annars vegna persónulegrar reynslu, þroskaferla eða, eins og í tilfelli Woodruffs, sem viðbragð við skemmdum eða áverkum. Taugamótanleiki getur falið í sér myndun nýrra taugamóta, grisjun taugamóta sem eru ekki lengur notuð, breytingar á taugatróðsfrumum og jafnvel myndun nýrra taugafrumna. Vegna taugamótanleika er heilinn okkar stöðugt að breytast og aðlagast; þótt taugakerfið sé mótanlegast þegar við erum mjög ung sýnir tilfelli Woodruffs að það getur enn tekið miklum breytingum síðar á ævinni.

Heilahvelin tvö

Yfirborð heilans, sem kallast heilabörkur, er mjög ójafnt og einkennist af sérstöku mynstri heilafellinga og heilaskora, eins og sýnt er á Mynd 3.15. Þessar fellingar og skorur mynda mikilvæg kennileiti sem gera okkur kleift að skipta heilanum í starfrænar stöðvar. Áberandi heilaskora, sem kallast langglufa, er djúpa raufin sem skiptir heilanum í tvo helminga eða heilahvel: vinstra heilahvel og hægra heilahvel.

Vísbendingar eru um sérhæfingu starfsemi, svokallaða hliðrun starfsemi, í hvoru heilahveli, einkum hvað varðar málstarfsemi. Vinstra heilahvel stjórnar hægri helmingi líkamans og hægra heilahvel stjórnar vinstri helmingi líkamans. Áratuga rannsóknir Michaels Gazzaniga og samstarfsfólks hans á hliðrun starfsemi benda til þess að margvísleg starfsemi, allt frá orsakaályktunum til sjálfsþekkingar, geti fylgt mynstrum sem benda til ákveðins ríkis annars heilahvelsins (Gazzaniga, 2005). Til dæmis hefur verið sýnt fram á að vinstra heilahvelið sé betra í að mynda tengsl í minni, sértækri athygli og jákvæðum tilfinningum. Hægra heilahvelið hefur hins vegar reynst betra í tónhæðarskynjun, örvun og neikvæðum tilfinningum (Ehret, 2006). Þó ber að benda á að rannsóknir á því hvaða heilahvel er ríkjandi í ýmiss konar hegðun hafa gefið ósamræmdar niðurstöður. Því er líklega betra að hugsa um hvernig heilahvelin tvö vinna saman að tiltekinni hegðun en að eigna ákveðna hegðun öðru heilahvelinu frekar en hinu (Banich & Heller, 1998).

Heilahvelin tvö eru tengd með þykku bandi taugaþráða sem kallast hvelatengsl og samanstendur af um 200 milljónum síma. Hvelatengslin gera heilahvelunum kleift að eiga samskipti sín á milli og gera upplýsingar sem unnar eru öðrum megin í heilanum aðgengilegar hinum megin.

Venjulega erum við ekki meðvituð um ólík hlutverk heilahvelanna í daglegri starfsemi, en sumir kynnast getu og starfsemi heilahvelanna sinna mjög vel. Í sumum tilvikum alvarlegrar flogaveiki ákveða læknar að skera á hvelatengslin til að hefta útbreiðslu floga (Mynd 3.16). Þótt þetta sé áhrifarík meðferð leiðir hún til þess að einstaklingar fá svokallaðan skiptan heila. Eftir aðgerð sýna þessir sjúklingar margvíslega áhugaverða hegðun. Til dæmis getur sjúklingur með skiptan heila ekki nefnt mynd sem sýnd er á vinstra sjónsviði, vegna þess að upplýsingarnar eru aðeins aðgengilegar í hægra heilahvelinu, sem er að mestu ómállegt. Sjúklingurinn getur hins vegar endurskapað myndina með vinstri hendi, sem hægra heilahvelið stjórnar einnig. Þegar málfærara vinstra heilahvelið sér myndina sem höndin teiknaði getur sjúklingurinn nefnt hana, að því gefnu að vinstra heilahvelið geti túlkað það sem vinstri höndin teiknaði.

Margt af því sem við vitum um starfsemi ólíkra svæða heilans kemur frá rannsóknum á breytingum á hegðun og getu einstaklinga sem hafa orðið fyrir heilaskaða. Til dæmis rannsaka vísindamenn hegðunarbreytingar af völdum heilablóðfalla til að læra um starfsemi tiltekinna heilasvæða. Heilablóðfall, sem stafar af truflun á blóðflæði til svæðis í heilanum, veldur tapi á heilastarfsemi á viðkomandi svæði. Ef skemmdin er á afmörkuðu svæði gefur það rannsakendum tækifæri til að tengja hegðunarbreytingarnar sem fylgja við tiltekið svæði. Tegundir skerðingar sem koma fram eftir heilablóðfall ráðast að miklu leyti af því hvar í heilanum skemmdin varð.

Lítum á Theonu, greinda og sjálfbjarga 62 ára konu. Nýlega fékk hún heilablóðfall í fremri hluta hægra heilahvels. Fyrir vikið á hún mjög erfitt með að hreyfa vinstri fótinn. Eins og þú lærðir fyrr stjórnar hægra heilahvel vinstri hlið líkamans; auk þess eru helstu hreyfistöðvar heilans fremst í höfðinu, í ennisblaðinu. Theona hefur einnig fundið fyrir hegðunarbreytingum. Til dæmis borðar hún stundum vínber, jarðarber og epli beint úr kössunum í grænmetisdeild matvöruverslunarinnar áður en hún borgar fyrir þau. Þessi hegðun, sem hefði verið henni mjög vandræðaleg fyrir heilablóðfallið, samræmist skemmdum á öðru svæði í ennisblaðinu: framennisberki, sem tengist dómgreind, rökhugsun og hvatastjórnun.

Uppbygging framheila

Tvö heilahvel heilabarkarins eru hluti af framheilanum (Mynd 3.17), sem er stærsti hluti heilans. Framheilinn inniheldur heilabörkinn og nokkrar aðrar formgerðir sem liggja undir berkinum, svokallaðar neðanbarkarformgerðir: stúku, undirstúku, heiladingul og randkerfið, sem er safn formgerða. Heilabörkurinn, ytra yfirborð heilans, tengist æðri ferlum á borð við meðvitund, hugsun, tilfinningar, rökhugsun, mál og minni. Hvert heilahvel má skipta í fjögur blöð sem hvert um sig tengist ólíkri starfsemi.

Blöð heilans

Fjögur blöð heilans eru ennisblað, hvirfilblað, gagnaugablað og hnakkablað (Mynd 3.18). Ennisblaðið er fremst í heilanum og nær aftur að skor sem kallast miðjuskor. Ennisblaðið tekur þátt í rökhugsun, hreyfistjórnun, tilfinningum og máli. Það inniheldur hreyfibörkinn, sem tekur þátt í skipulagningu og samhæfingu hreyfinga; framennisbörkinn, sem ber ábyrgð á æðri hugrænni starfsemi; og Broca-svæðið, sem er nauðsynlegt fyrir málmyndun.

Fólk sem verður fyrir skemmdum á Broca-svæðinu á mjög erfitt með að mynda mál í hvaða formi sem er (Mynd 3.18). Padma var til dæmis rafmagnsverkfræðingur, félagslega virk og umhyggjusamt, þátttakandi foreldri. Fyrir um tuttugu árum lenti hún í bílslysi og hlaut skemmdir á Broca-svæðinu. Hún missti algjörlega hæfileikann til að tala og mynda hvers kyns merkingarbært mál. Það er ekkert að munni hennar eða raddböndum, en hún getur ekki myndað orð. Hún getur fylgt fyrirmælum en ekki svarað munnlega, og hún getur lesið en ekki lengur skrifað. Hún getur sinnt hversdagslegum verkefnum, eins og að skreppa út í búð til að kaupa mjólk, en hún gæti ekki tjáð sig munnlega ef aðstæður krefðust þess.

Líklega frægasta tilfellið um skemmdir á ennisblaði er tilfelli manns að nafni Phineas Gage. Þann 13. september 1848 var Gage, 25 ára, verkstjóri við járnbrautarlagningu í Vermont. Hann og vinnuflokkur hans notuðu járnkarl til að þjappa sprengiefni niður í sprengiholu til að fjarlægja grjót af leið járnbrautarinnar. Því miður myndaði járnkarlinn neista og sprakk upp úr sprengiholunni, inn í andlit Gage og í gegnum höfuðkúpu hans (Mynd 3.19). Þótt hann lægi í blóðpolli með heilavef út úr höfðinu var Gage með meðvitund og gat staðið upp, gengið og talað. Á mánuðunum eftir slysið tóku menn hins vegar eftir því að persónuleiki hans hafði breyst. Margir vina hans lýstu honum svo að hann væri ekki lengur hann sjálfur. Fyrir slysið var sagt að Gage væri kurteis og hæglátur maður, en eftir slysið fór hann að haga sér á undarlegan og óviðeigandi hátt. Slíkar persónuleikabreytingar samræmast tapi á hvatastjórnun, sem er starfsemi ennisblaðsins.

Auk skemmdanna á ennisblaðinu sjálfu leiddu síðari rannsóknir á ferli járnkarlsins einnig í ljós líklegar skemmdir á taugabrautum milli ennisblaðsins og annarra heilabygginga, þar á meðal randkerfisins. Þar sem tengslin milli skipulagsstarfsemi ennisblaðsins og tilfinningaferla randkerfisins voru rofin átti Gage erfitt með að stjórna tilfinningalegum hvötum sínum.

Þó eru vísbendingar um að dramatískar breytingar á persónuleika Gage hafi verið ýktar og skreyttar. Tilfelli Gage átti sér stað í miðri deilu á 19. öld um staðbundna sérhæfingu, það er hvort tiltekin svæði heilans tengdust tiltekinni starfsemi. Á grundvelli afar takmarkaðra upplýsinga um Gage, umfang áverka hans og líf hans fyrir og eftir slysið höfðu vísindamenn tilhneigingu til að finna stuðning við eigin skoðanir, hvorum megin deilunnar sem þeir stóðu (Macmillan, 1999).

Hvirfilblað heilans er rétt aftan við ennisblaðið og tekur þátt í úrvinnslu upplýsinga frá skynfærum líkamans. Það inniheldur líkamsskynbörkinn, sem er nauðsynlegur fyrir úrvinnslu skynupplýsinga frá öllum líkamanum, svo sem snertingu, hitastigi og sársauka. Líkamsskynbörkurinn er svæði í heilanum sem vinnur úr snertingu og skynjun. Hann er áhugaverður vegna þess að hvert svæði barkarins vinnur úr skynboðum frá ólíkum líkamshlutum. Því stærra sem yfirborð tiltekins líkamshluta er og því fleiri taugar sem eru í honum, þeim mun stærra svæði í líkamsskynberkinum er helgað úrvinnslu skynboða frá honum. Fingur taka til dæmis mun meira pláss en tær. Eins og sjá má á Mynd 3.20 er svæðið sem vinnur úr skynboðum frá fingrum mun stærra en svæðið sem vinnur úr skynboðum frá tám.

Gagnaugablaðið er á hlið höfuðsins; temporal merkir „nálægt gagnaugum“. Það tengist heyrn, minni, tilfinningum og sumum þáttum máls. Heyrnarbörkurinn, meginsvæðið sem ber ábyrgð á úrvinnslu heyrnarupplýsinga, er innan gagnaugablaðsins. Wernicke-svæðið, sem er mikilvægt fyrir málskilning, er einnig þar. Þeir sem eru með skemmdir á Broca-svæðinu eiga erfitt með að mynda mál, en þeir sem eru með skemmdir á Wernicke-svæðinu geta myndað mál sem virðist skynsamlegt en geta ekki skilið það (Mynd 3.21).

Hnakkablaðið er alveg aftast í heilanum og inniheldur frumsjónbörkinn, sem ber ábyrgð á að túlka sjónupplýsingar sem berast. Hnakkabörkurinn hefur sjónuvarpsskipulag, sem þýðir að náið samband er milli staðsetningar hlutar í sjónsviði einstaklings og staðsetningar fulltrúa hlutarins á berkinum. Þú lærir miklu meira um hvernig sjónupplýsingar eru unnar í hnakkablaðinu þegar þú lærir um skynhrif og skynjun.

Önnur svæði framheila

Önnur svæði framheilans, sem liggja undir heilaberkinum, eru meðal annars stúkan og randkerfið. Stúkan er boðskiptastöð skynboða í heilanum. Öllum skynboðum okkar, að lyktarskyni undanskildu, er beint í gegnum stúkuna áður en þeim er beint til annarra heilasvæða til úrvinnslu (Mynd 3.22).

Randkerfið tekur þátt í úrvinnslu bæði tilfinninga og minnis. Athyglisvert er að lyktarskynið varpast beint til randkerfisins; því kemur ekki á óvart að lykt geti kallað fram tilfinningaleg viðbrögð á annan hátt en önnur skynsvið. Randkerfið er samsett úr nokkrum formgerðum, en þrjár þeirra mikilvægustu eru drekinn, mandlan og undirstúkan (Mynd 3.23). Drekinn er nauðsynlegur fyrir nám og minni. Mandlan tekur þátt í upplifun okkar af tilfinningum og í því að tengja tilfinningalega merkingu við minningar okkar. Undirstúkan stjórnar ýmsum samvægisferlum, þar á meðal líkamshita, matarlyst og blóðþrýstingi. Undirstúkan þjónar einnig sem tengi milli taugakerfisins og innkirtlakerfisins og tekur þátt í stjórnun kynferðislegrar hvatningar og hegðunar.

Tilfelli Henry Molaison (H.M.)

Árið 1953 var Henry Gustav Molaison (H. M.) 27 ára gamall maður sem fékk alvarleg flog. Í tilraun til að ná stjórn á flogunum gekkst H. M. undir heilaskurðaðgerð þar sem drekinn og mandlan voru fjarlægð. Eftir aðgerðina urðu flog H. M. mun vægari, en hann varð einnig fyrir óvæntum og hrikalegum afleiðingum aðgerðarinnar: hann missti hæfileikann til að mynda margar tegundir nýrra minninga. Til dæmis gat hann ekki lært nýjar staðreyndir, svo sem hver væri forseti Bandaríkjanna. Hann gat lært nýja færni en hafði síðar enga minningu um að hafa lært hana. Þannig gat hann til dæmis lært að nota tölvu en hafði enga meðvitaða minningu um að hafa nokkru sinni notað slíka. Hann gat ekki munað ný andlit og gat ekki munað atburði, jafnvel strax eftir að þeir áttu sér stað. Rannsakendur heilluðust af reynslu hans og hann er talinn eitt mest rannsakaða tilfelli í sögu læknisfræði og sálfræði (Hardt, Einarsson, & Nader, 2010; Squire, 2009). Tilfelli hans hefur veitt gríðarlega innsýn í hlutverk drekans í samþjöppun nýs náms yfir í skýrt minni.

Uppbygging miðheila og afturheila

Miðheilinn samanstendur af formgerðum sem liggja djúpt í heilanum, milli framheila og afturheila. Dreifin er í miðheilanum, en hún nær í raun upp í framheilann og niður í afturheilann. Dreifin er mikilvæg við stjórnun svefn-vökuhringsins, örvunar, árvekni og hreyfivirkni.

Svartfylla (substantia nigra; latína fyrir „svart efni“) og kviðlægt þekjusvæði (ventral tegmental area; VTA) eru einnig í miðheilanum (Mynd 3.24). Bæði svæðin innihalda frumuboli sem framleiða taugaboðefnið dópamín og bæði eru mikilvæg fyrir hreyfingar. Hrörnun svartfyllu og VTA tengist Parkinsonsveiki. Auk þess koma þessar formgerðir við sögu í skapi, umbun og fíkn (Berridge & Robinson, 1998; Gardner, 2011; George, Le Moal, & Koob, 2012).

Afturheilinn er aftast í höfðinu og lítur út eins og framlenging mænunnar. Hann inniheldur mænukylfu, brú og litla heila (Mynd 3.25). Mænukylfan stjórnar sjálfvirkum ferlum sjálfvirka taugakerfisins, svo sem öndun, blóðþrýstingi og hjartslætti. Orðið pons merkir bókstaflega „brú“ og eins og nafnið bendir til tengir brúin afturheilann við aðra hluta heilans. Hún tekur einnig þátt í að stjórna heilavirkni í svefni. Mænukylfan, brúin og ýmsar aðrar formgerðir kallast heilastofn, og hlutar heilastofnsins ná yfir bæði miðheilann og afturheilann.

Litli heili (cerebellum; latína fyrir „lítill heili“) tekur við boðum frá vöðvum, sinum, liðum og formgerðum í eyranu til að stjórna jafnvægi, samhæfingu, hreyfingum og hreyfifærni. Einnig er talið að litli heili sé mikilvægt svæði fyrir úrvinnslu sumra tegunda minnis. Einkum er talið að aðferðaminni, það er minni sem tengist því að læra og muna hvernig á að framkvæma verkefni, tengist litla heila. Rifjum upp að H. M. gat ekki myndað nýjar skýrar minningar, en hann gat lært ný verkefni. Það stafar líklega af því að litli heili H. M. var óskaddaður.

Heilamyndgreiningaraðferðir

Þú hefur lært hvernig heilaskaði getur veitt upplýsingar um starfsemi ólíkra hluta heilans. Í síauknum mæli getum við þó aflað slíkra upplýsinga með heilamyndgreiningaraðferðum hjá einstaklingum sem hafa ekki orðið fyrir heilaskaða. Í þessum hluta skoðum við nánar nokkrar aðferðir sem standa til boða til að mynda heilann, þar á meðal aðferðir sem byggja á geislun, segulsviðum eða rafvirkni í heilanum.

Tækni sem felur í sér geislun

Tölvusneiðmyndataka (CT) felur í sér að taka margar röntgenmyndir af tilteknum hluta líkama eða heila einstaklings (Mynd 3.26). Röntgengeislarnir fara í gegnum vefi af mismunandi þéttleika á mismunandi hraða og gera tölvu kleift að setja saman heildarmynd af því svæði líkamans sem verið er að skanna. Tölvusneiðmynd er oft notuð til að ákvarða hvort einstaklingur sé með æxli eða verulega rýrnun heilans.

Jáeindaskönnun (PET) býr til myndir af lifandi, virkum heila (Mynd 3.27). Einstaklingur sem fer í PET-rannsókn drekkur eða fær sprautað í sig vægu geislavirku efni sem kallast sporefni. Þegar sporefnið er komið í blóðrásina er hægt að fylgjast með magni þess á tilteknu svæði heilans. Þegar heilasvæði verður virkara flæðir meira blóð til þess. Tölva fylgist með hreyfingu sporefnisins og býr til gróft kort af virkum og óvirkum svæðum heilans meðan á tiltekinni hegðun stendur. PET-myndir sýna lítil smáatriði, geta ekki staðsett atburði nákvæmlega í tíma og krefjast þess að heilinn verði fyrir geislun; þess vegna hefur starfræn segulómun (fMRI) að miklu leyti tekið við sem annars konar greiningartæki. PET-tækni er þó enn notuð í ákveðnu samhengi ásamt CT. Til dæmis gera CT/PET-rannsóknir kleift að mynda virkni taugaboðefnaviðtaka betur og opna nýjar leiðir í rannsóknum á geðklofa. Í þessari samsettu CT/PET-tækni leggur CT til skýrar myndir af formgerðum heilans, en PET sýnir virkni hans.

Tækni sem felur í sér segulsvið

Í segulómun (MRI) er einstaklingur settur inn í tæki sem myndar sterkt segulsvið. Segulsviðið veldur því að vetnisatóm í frumum líkamans hreyfast. Þegar slökkt er á segulsviðinu senda vetnisatómin frá sér rafsegulmerki þegar þau snúa aftur í upprunalega stöðu. Vefir af mismunandi þéttleika gefa frá sér mismunandi merki, sem tölva túlkar og birtir á skjá. Starfræn segulómun (fMRI) byggir á sömu lögmálum en sýnir breytingar á heilavirkni yfir tíma með því að fylgjast með blóðflæði og súrefnismagni. fMRI gefur nákvæmari myndir af byggingu heilans og betri tímaupplausn en PET-myndir (Mynd 3.28). Vegna mikillar smáatriðaupplausnar eru MRI og fMRI oft notuð til að bera saman heila heilbrigðra einstaklinga við heila einstaklinga sem greindir hafa verið með geðraskanir. Slíkur samanburður hjálpar til við að ákvarða hvaða byggingarlegur og starfrænn munur er milli þessara hópa.

Tækni sem felur í sér rafvirkni

Í sumum aðstæðum er gagnlegt að fá mynd af heildarvirkni heila einstaklings án þess að þurfa upplýsingar um nákvæma staðsetningu virkninnar. Rafheilaritun (EEG) þjónar þessum tilgangi með því að mæla rafvirkni heilans. Rafskautum er komið fyrir umhverfis höfuð einstaklings (Mynd 3.29). Merkin sem rafskautin nema skila útprentun af rafvirkni heilans, eða heilabylgjum, sem sýnir bæði tíðni, fjölda bylgna á sekúndu, og sveifluvídd, hæð skráðra heilabylgna, með nákvæmni upp á millisekúndur. Slíkar upplýsingar eru sérstaklega gagnlegar fyrir rannsakendur sem rannsaka svefnmynstur hjá einstaklingum með svefnraskanir.