Aistifysiologia. Mitä aistitaan? Miten aistitaan? Aistifysiologian terminologiaa. Reseptorityypeistä

Transkriptio

1 Mitä aistitaan? Aistifysiologia Oulun Yliopisto Fysiologian laitos Pasi Tavi 2004 Mitä, missä, milloin, paljonko? Aistimisessa on kysymys ympäristön energioiden muuttamisesta hermosolujen aktiopotentiaaleiksi Tämä energia voi olla eri muodoissa Elektromagneettinen (lämpösäteily, valo) Mekaaninen (paine, ääniaalto, värähtely) Kemiallinen (happamuus, suolaisuus, molekyylien koko ja muoto) Mitä aistitaan modaliteetti Maku, haju, kosketus, näkö, kuulo Näiden kombinaatiot mm. vetinen = paine + lämpötila Aistimukset kehon ulko- ja sisäpuolelta ohjaavat motoriikkaa Miten aistitaan? Aistifysiologian terminologiaa Kaikilla aisteilla on omat transduktiomekanisminsa, joissa aistinsolu ottaa vastaan ulkomaailmansa signaaleja näille signaaleille ominaisella tavalla. Aistinsolun (= reseptorin) sähköinen toiminta muuttuu tässä transduktioprosessissa. Muutos on signaali, joka sisältää informaatiota, jota muut hermoston osat edelleen prosessoivat. Prosessoinnissa erotetaan tietotulvasta oleellinen epäoleellisesta Aistinsolu = reseptorisolu tai lyhyesti reseptori Aistimisen aiheuttama sähköinen muutos reseptorissa= reseptoripotentiaali Jos aistinsolussa itsessään syntyy aktiopotentiaali, reseptori. pot. on generaattoripotentiaali Modaliteetti = se mitä aistitaan Adekvaatti stimulus = se stimulus mille aistin on herkkä Reseptorityypeistä Fibroblastien muodostama keränen Reseptorien erikoistuminen Esimerkki Pacinin keränen On-off-vaste Jatkuva mm. kipureseptorit mm. tuntoaistinsolut mm. fotoreseptorit karvasolut Useat aistimet ovat herkkiä muutokselle, eivät niinkään absoluuttisille määrille Aistimukset ovat suhteellisia 1

2 Reseptorin toiminnasta Stimuluksen intensiteetin koodaus 1) Reseptoripotentiaali (generaattoripot.) 2) Aksonissa alue jossa Na + -kanavia AP 3) Aktiopotentiaali aksonin terminaali 4) Transmitterin eritys Reseptorivirta (yl. kationikanava) on suoraan verrannollinen stimuluksen intensiteettiin Aktiopotentiaalien taajuus suoraan verrannollinen reseptorivirtaan Aksonin terminaalista eritettävän transmitterin määrä verrannollinen aktiopotentiaalien määrään Reseptorin adaptaatio Reseptorin vaste jatkuvalle ärsytykselle pienenee ajan funktiona adaptaatio Reseptorin herkkyys säilyy Estää sensorisen ylikuorman Eräs keino prosessoida informaatiota Adaptaation määrä ja nopeus vaihtelee Monia mekanismeja; Reseptoriin liittyneet rakenteet vaikuttavat (mm. pupilli silmässä, feed-back) Transduktio de-sensitoituu (mm. valoa absorvoivan pigmentin määrä muuttuu) Neuronin akkomodaatio; AP kynnysarvo nousee, Na + -kanavan inaktivaatio lisääntyy Mekanosensitiivisen kanavan adaptaatio (inaktivaatio) Adaptiivisten ominaisuuksien vaikutus stimuluksen koodaukseen Mihin adaptaatio vaikuttaa? Taajuusvaste Suodatus Hitaasti adaptoituvat reseptorit koodaavat paremmin jatkuvaa stimulaatiota Reseptiivinen alue Konvergenssi ja divergenssi Se alue jonka informaatio menee yhteen neuroniin Ihon aistit, näkö Stimuluksen erottelukyky Mitä suuremmat alueet, sitä huonompi Reseptiivisten alueiden koko ja määrä aistivan alueen spatiaalinen resoluutio Ihotunto, tarkan näkemisen alue (fovea) jne Eri hermoston tasoille omat kenttänsä Sensorisen neuronin, interneuronin, gangliosolun,jne. Hermostollisessa tiedonkäsittelyssä yksittäisestä solusta (aistinsolusta) tulevaa tietoa voidaan joko jakaa laajemmalle alueelle tai koota yhteen muista soluista tulevan informaation kanssa Divergenssi neuronaalinen aktiviteetti jakautuu Konvergenssi neuronaalinen aktiviteetti yhdistyy 2

3 Lateraalinen inhibiitio Näköaisti Keino vähentää ärsytyksen aiheuttamaa vastetta hermoverkossa Keino korostaa eroja Aktivoitunut reseptori (interneuroni) inhiboi viereisiä, vähemmän aktivoituneita signaaliteitä Inhibitooriset synapsit Tärkeä mm. näköaistin kontrastien erottelussa retinassa ja visuaalisessa aivokuoressa, ihon tuntoaisti jne.. Mitä nähdään? Valon intensiteetti (skaala n. 15x) Värit (380 nm violetti nm punainen) Liike Kovakalvo, (Sclera) Silmämunan uloin kuori Silmän etuosaassa muuttuu kirkkaaksi sarveiskalvoksi (cornea) Suonikalvo (Choroidea) kovakalvon sisäpuolella Verisuonitus, pigmenttiä Etuosassa suonikalvon jatkeena on värikalvo (iris) Pupilli, rengasmaiset ja säteittäiset lihakset pupillin koon säätelyä varten Mykiö eli linssi Ciliaarisäikeillä l. ripustinsäikeillä liitetty ciliaarilihaksiin, joiden supistuminen säätelee näön tarkennusta Retina l. verkkokalvo Pigmentoitunutta epiteeliä Aistinsolut, interneuronit Fovea, keskikuoppa; tarkan näkemisen alue Sokea piste; verkkokalvon osa jossa näköhermot ja retinan verisuonet Silmän rakenne Silmän nestetilat Etukammionestettä erittää iiriksen takana olevat epiteelisolut, (laskostunut ciliaariepiteeli, ciliary proces) n. 2-3 µl/min. Sis. Ravinteita mm. aminohappoja, vitamiineja ja glukoosia Etukammioneste poistuu Schlemmin kanavien kautta laskimoverenkiertoon Lasiainen sisältää säikeistä proteoglygaania, joka tekee siitä geelimäisen Nesteen virtaus ja aineiden diffuusio hidasta, nesteen ja aineiden vaihtoa myös retinan verisuonien kanssa diffuusiolla ja filtraatiolla Retinan rakenne Retina on silmän aistiva osa Suuri osa informaation käsittelyä tapahtuu retinassa Kerrokset (n. 8) 1.Pigmentoitunut epiteeli 2-4. Reseptorit; sauvat ja tapit, synapseja 5-6. bipolaari-, horisontaalija amakriinisolut 7-8. Gangliosolut ja niiden aksonit Retinan solutyypit Reseptorit Sauvat (monokromaattinen) Tapit (värinäkö) Bipolaarisolut 1. synapsit fotoreseptoreihin Depolarisaatio (aktivoi gangliosoluja) Hyperpolarisaatio (inhiboi gangliosoluja) Horisontaalisolut Informaatio fotoreseptoreilta Bipolaarisolujen lateraali-inhibiitio Amakriinisolut Yhdistävät gangliosoluja Lateraali-inhibiitio Useita tyyppejä (>8 eri transmitteria) Retinassa lyhyet välimatkat signaloinnissa ei tarvita AP:ja gradeeratut potentiaalit Fotoreseptorityypit Valoherkkiä aistinsoluja on kahta eri tyyppiä tappeja ja sauvoja Sauvat valon intensiteetin koodaus Tapit värinäkö Kummassakin solutyypissä tietyt osat Ulkosegmentti, solun valoherkkä osa Sisäsegmentti, l. soomaosa jossa mm. tuma Synaptinen terminaali 3

4 Fotoreseptorien rakenne Fotoreseptorin sähköiset ominaisuudet Sauvat (rods) ja tapit (cones) Ulkojäsen, sisäjäsen ja synaptinen terminaali Ulkojäsen sisältää kalvolevyjä joissa valoherkkää rodopsiinia (10 8 mol./ jäsen) Sauvoissa enemmän valoherkkyys Ulkojäsenen alaosassa cilium Mitokondriot + muita organelleja Fotopigmentti syntetisoidaan sisäjäsenessä liitettäväksi ulkojäsenen membraaniin Sauvoissa 3 uutta membraanikiekkoa /tunti Toisesta päästä kiekkoja hajotetaan Tapeissa pigmentti liitetään membraanilaskoksiin satunnaisesti Fotoreseptorissa valo aiheuttaa hyperpolarisaation Pimeässä reseptori on depolarisoituneena Membraanipotentaalin määrää natriumin ja kaliumin permeabiliteettien suhde Valo säätelee kalvon permeabiliteettia natriumille (kalsiumille) Pimeävirta Rhodopsiini A B Valotransduktion valoherkkä molekyyli on rhodopsiini Koostuu; glykoproteiinista; opsiini ja retinaalista (A vitamiinin aldehydi) Fotonin absorboituminen 11-Cisretinaaliin muuttaa sen konformaatiota A) rhodopsiinin konformaatio muuttuu B) Fototransduktiokaskadi Valon aistiminen 1) Valo muuttaa rhodopsiinin konformaatiota 2) G-proteiini transdusiini aktivoituu 3) Fosfodiesteraasi aktivoituu cgmp hydrolysoituu 1 PDE / cgmp vahvistus!!! 4) cgmp ionikanavat kiinni 4

5 Valon transduktion vaiheet fotoreseptorisolussa 1) Valo aktivoi rhodopsiinin (retinaali) 2) G-proteiinin aktivaatio 3) Fosfodiesteraasin aktivaatio 4) [cgmp] i laskee 5) cgmp kanavat kiinni 6) Fotoreseptorin hyperpolarisaatio 7) Transmitterin (glutamaatti) erityksen väheneminen Värinäkö Fotoreseptorin spektraalisen herkkyyden määrää siinä olevan pigmentin ominaisuudet Sauvasolut Absorbtio max. ~ 520 nm Tappisolut 3 eri tyypin opsiinia Puna-herkkä (560 nm) Viherherkkä (530 nm) Siniherkkä (420 nm) Värien erottelu perustuu eri tappien aktivoitumisien suhteellisiin osuuksiin Esim. oranssi väri (600 nm) punatapit 96% aktivaatio/ vihertapit n. 37 % / ja sinitapit 0% suhde 96:37:0 koodautuu oranssina värinä! Sauva-ja tappisolujen spektraalisen herkkyyden vertailua Näköaistinsolujen pimeäadaptaatio Sauvat Tapit Tapit; nopea adaptatio Silti korkea kynnysarvo Sauvat;hidas adaptaatio Matala kynnysarvo herkkä Visuaalisen kynnysarvon muutos pimeäadaptaation pituuden funktiona Näkökyky sopeutuu hämärään valaistukseen Sekä neuraaliset mekanismit retinassa, että fotoreseptorien adaptaatio Fotoreseptoreissa; Valo inaktivoi tai sammuttaa rhodopsiinia pimeässä rhodopsiini palautuu Pimeässä kun [cgmp] i on korkea Ca 2+ virtaa soluun (kationikanava) korkea [Ca 2+ ] i inhiboi guanylaattisyklaasia ja stimuloi fosfodiesteraasia inhiboi [cgmp] i nousua Kun taustavalo on korkea sama mekanismi pitää [cgmp] i niin korkeana, että valon lisääntyessä [cgmp] i voi laskea! Solutyyppien jakautuminen retinassa Akkomodaatio Näön tarkkuus (resoluutio) on suurin Kirkkaassa valossa Fovean alueella Tarkan näkemisen alueella tappien tiheys suurin ja sauvojen pienin Alueen fotoreseptorien konvergenssi vähäistä (pienet reseptiiviset kentät) mitä kauempana alueesta sitä huonompi resoluutio Perifeerinen näkökenttä ei erota värejä Vähässä valossa resoluutio heikko ( ~ 0 fovea) koska sauvoja vähän foveassa Linssi säätelee tarkennusta eri etäisyyksillä oleviin kohteisiin 25 cm Linssin paksuutta muutetaan ciliaarilihasten avulla Kauas katsottaessa lihakset ovat relaksoituneet linssi ohut taittovoima pieni Lähelle katsottaessa lihakset ovat supistuneet- linssi paksu taittovoima suuri Linssin elastisuus vähenee iän myötä lähelle fokusointi kärsii presbyopia Lihakset autonomisen hermoston säätelemänä parasympaattinen lisää ja sympaattinen vähentää linssin taittovoimaa 5

6 Akkomodaation mekanismit Feedback-mekanismi, joka automaattisesti säätää linssiä niin, että verkkokalvolle muodostuu mahdollisimman terävä kuva Säätöjärjestelmä ei tee virheitä, tarkennus tapahtuu aina oikeaan suuntaan hyvin nopeasti (>1s) Mekanismeja; Kromaattinen aberraatio Sininen valo ja punainen valo fokusoituu hieman eri kohtiin Kumpi paremmin fokuksessa mihin suuntaan linssin taittovoimaa muutettava? Lähikonvergenssi Katsottaessa lähelle molemmat silmät konverkoituvat molemmat linssit tarkentuvat lähelle automaattisesti Fovean kuoppa Fovea on syvemmällä kun muu retina kumpi tarkemmin fokuksessa mihin suuntaan linssiä? Oskillaatio On havaittu, että tarkennus oskilloi (jopa 2 Hz) eli systeemi myös hakee parasta fokusta aktiivisesti. Neuraalista kontrollia ei tiedetä tarkasti; tarkennuksen säätely on läheisessä yhteydessä silmien liikkeen säätelyn kanssa Tietoa integroidaan samoilla aivokuoren alueilla motoriset signaalit Edinger- Westphalin tumakkeen (parasympaattinen) kautta silmän lihaksille. Kun silmään osuu valo pupillit pienenevät pupillin valorefleksi Tieto valon määrästä näköhermon haaraa pitkin occulomotoriseen tumakkeeseen, josta parasympaattiset hermot ciliaariganglion kautta iriksen sfinkteriin rengasmaisten lihasten supistus Pupillin laajenemista säätelee sympaattinen aktiviteetti säteittäisten lihasten supistuminen Pupilli supistuu myös fokusoitaessa lähelle akkomodaatio refleksi Pupillin säätely Retinan reseptiiviset kentät Informaation prosessointi retinassa: Gangliosolujen reseptiiviset kentät Gangliosolun reseptiivinen kenttä on retinan alue, jonka aktivointi muuttaa yhden gangliosolun aktiviteettia Omat reseptiiviset kenttänsä myös horisontaalisoluilla, bipolaarisoluilla Reseptiivinen kenttä voi olla joko aktivoiva tai inhiboiva Koko ja tiheys vaikuttaa näköaistimuksen tarkkuuteen fovean reseptiiviset kentät pieniä ja tiheässä Reseptiivisten kenttien gangliosolujen aksonit muodostavat näköhermon informaatio aivoihin Retinan organisaatio ja toiminta on optimoitunut havaitsemaan kontrasteja ja mm. liikettä Prosessoinnissa tärkeä lateraalinen inhibiitio kontrastit Gangliosolujen reseptiivinen kenttä muodostuu inputista joka tulee a) bipolaarisoluista, b) amakriinisoluista tai c) molemmista Kaksi päätyyppiä: On-center-Off-surround Reseptiivisen kentän keskelle tuleva valo aktivoi G-solun ja reunoille tuleva valo inhiboi Off-center-On-Surround Reunoille +, keskelle Kummassakin tapauksessa diffuusi valo koko kentän alueelle aiheuttaa heikon aktivaation Liike reseptiivisen kentän läpi aiheuttaa sekventiaalisen vasteen Näköradat Näkökenttien projektiot aivokuorella Retinan gangliosolujen aksonit muodostavat näköhermon Kummankin silmän näkökentät jakaantuvat kahteen osaan Nasaaliseen (sisempi) Temporaaliseen (ulompi) Optisessa kiasmassa osa hermoista risteää Molempien silmien nasaaliretinoiden gangliosolujen aksonit risteävät Vasen näkökenttä muodostuu vasemmasta nasaaliretinasta ja oikeasta temporaaliretinasta Oikea näkökenttä muodostuu vastaavasti oikeasta nasaaliretinasta ja vasemmasta temporaaliretinasta 6

7 Geniculatum laterale Talamuksen tumake (geniculatum laterale) Välittää näköradan näköinformaation aivokuorelle, spatiaalinen tarkkuus säilyy retinalta korteksille 6 kerrosta; eri puolilta näkökenttää tuleva informaatio pidetään erillään Kontrolloi paljonko informaatiota aivokuorelle Inhibitoorisia signaaleja näköaivokuorelta (corticofucal fibers) ja keskiaivoilta Voivat estää tietyn osan näköinformaation etenemisen aivokuorelle Magnosellulaariset kerrokset Nopea Musta-valko-informaatio Point-to-point-resoluutio huono Parvosellulaariset kerrokset Hidas Hyvä värierottelu Hyvä tarkkuus Näköaivokuoren organisaatio Primäärinen aivokuori Näkökentän projektio aivokuorelle noudattaa retinan alueita retinotooppinen kartta Fovean alueen edustus suuri Näkökentän yläosa korteksilla alapuolella ja oikea vasemmalla! Sekundaarinen näköaivo kuori ympäröi primääristä Visuaalisen informaation analysointi Informaatiota edelleen takaraivolohkon aivokuorelle Näköaivokuori Liikkeen havaitseminen Näköaivokuori Etäisyyksien havaitseminen ja syvyysnäkö Esim: aivokuoren solun aktiviteetti (oik.) Suhteessa kulmaan (vas.) jolla kappale liikkuu Solu herkkä 36 liikekulmalle Visuaalisella aivokuorella on soluja jotka näyttävät olevan herkkiä tietyille kuvan ominaisuuksille Valon ja varjon raja Valon tai varjon liike Liike tietyssä kulmassa Osittain pohjaa retinan organisaatioon Stereopsis = kahden silmän syvyysnäkö Silmien näkökenttien erojen vertailua Silmät muutaman sentin päässä toisistaan perspektiivit eroavat hivenen Mitä lähempänä kohde sitä suuremmat erot sitä parempi syvyysnäkö < 60 m päässä olevat kohteet Visuaalisen aivokuoren toimintaa Eräät neuronit retinalta aivokuorelle erikoistuneen havaitsemaan tietyllä etäisyydellä olevia kohteita Muita mekanismeja Tunnetun kokoiset etäisyyksien päässä auttaa aivoja vertailemaan kokoja ja etäisyyksiä Liikkuva parallaksi (moving parallax) Kun katsotaan kohdetta ja samalla liikutetaan päätä, kohde liikkuu näkökentässä sitä enemmän mitä lähempänä se on Mitä näköaisti havaitsee? Mikä on gangliosolujen aktiviteetti katsottaessa yksiväristä laajaa aluetta? Riippumatta värin tai valon intensiteetistä aktiviteetti on hyvin vähäinen Retinassa kaikkien alueiden tasainen ärsytys johtaa aina viereisten alueiden inhibiitioon kokonaisaktiviteetti vähäistä Jos tasaiselle pinnalle ilmestyy yksikin taustasta erottuva alue aktiviteetti lisääntyy ainakin joku gangliosoluista aktivoituu kontrasti. 7

8 Näköaisti koodaa suhteellisia eroja Kuuloaisti Mitkä asiat vaikuttavat? Paikallinen kontrasti; A-ruutua ympäröi vaaleat ruudut ja B-ruutua tummat ruudut B-ruutu on varjossa; Varjo on asteittainen muutos näköaisti ei yleensä huomioi asteittaisia muutoksia Näköaisti ei ole kovin hyvä valomittari Äänen aistimus syntyy värähtelystä, joka aiheuttaa ilmanpaineeseen aaltomaisen muutoksen. Äänen korkeus riippuu värähtelytaajuudesta (Hz), Äänen voimakkuus riippuu painevärähtelyn laajuudesta, amplitudista (db): voimakkuus = 20 log 10 (Pt/Pr), jossa Pt= testi paine ja Pr=referenssipaine joka juuri ja juuri kuullaan (kynnysarvo) Mitä kuullaan? Korvan rakenne Ihmisen kuulon dynaaminen alue on valtava Ihmiskorva kuulee äänen taajuudet valillä 20-20kHz. Normaalin puheen korkeusalue Hz Äänen intensiteetti välillä 20-~100 db 10000x Normaalin puheen intensiteetti on noin 65 db Ulkokorva Korvalehti ja korvakäytävä Välikorva Tärykalvo, kuuloluut; vasara (malleus), alasin (incus), jalustimeen (stapes) Ilman täyttämä välikorva on yhteydessä nieluun korvatorven välityksellä välikorvan paine voi muutua jos ulkopuolen paine muuttuu (Huom. paineen muutoksen nopeus) Sisäkorva Luun sisällä Eteisikkuna l. soikea ikkuna Simpukan l. pyöreä ikkuna Simpukka (cochlea) Kaarikäytävät Kuulohermo Kuuloluut ja äänen vahvistus Tärkeä osa äänen transduktiota on ilmanpaineen vaihteluiden muuttaminen nesteen liikkeiksi. Tämä tapahtuu välikorvan kuuloluiden avulla Kuuloluuketju "vahvistaa" ääntä koska tärykalvon pinta-ala on suurempi kuin soikean ikkunan, sekä lievän vipuvaikutuksen vuoksi. 1) Paineen värähtely johtuu korvaan, jossa se muuttuu välikorvassa 2) tärykalvon liikkeeksi. Tämä johtaa malleuksen (vasara), incuksen (alasin) ja stapesin (jalustin) värähtelyyn ja lopulta soikean ikkunan värähtelyyn. Näin alunperin ilmanpaineen muutos on transdusoitu mekaaniseksi värähtelyksi, joka leviää 3) simpukan nesteessä, aiheuttaen 4) basaalimebraanin värähtelyn, joka koodataan 5) aistinsolujen sähköiseksi aktiviteetiksi ja edelleen 6) kuulohermon aktiopotentiaaleiksi Äänen transduktio 8

9 Simpukan rakenne ja nestetilat Simpukassa eli Cochleassa Scala tympani Scala vestibuli Scala media Perilymfa; Scala tympani ja Scala vestibuli [K + ] i =5 mm, [Na + ] i =145 mm, [Ca 2+ ] i = 1mM Nesteen koostumus muistuttaa estrasellulaarinestettä Endolymfa Scala media [K + ] i =157 mm, [Na + ] i =1 mm, [Ca 2+ ] i = 0.02 mm Muistuttaa intrasellulaarinestettä Stria vascularis erittää, aktiivinen K + kuljetus Sisäkorvan reseptorit, karvasolut (hair-cells) Cortin elimessä Ekstrasellulaarineste endolymfa Karvasolujen solujen runko on kiinni basaalimembraanissa ja kärkijäsen sekä sen päällä oleva jäykkä stereokilia koskettavat tektoriaalimembraania Kun paineaalto etenee simpukan nesteessä em. mebraanit liikkuvat eri tahdissa ja täten stereokilia taipuu. Stereoklian taipuminen säätelee karvasolujen mekanosensitiivisten ionikanavien aukioloa Potentiaali +80 mv Karvasolujen toiminta Karvasolun mekanosensitiivinen osa on sen MS ionikanavat Kationikanavia virrankuljettajana K +, (ja Ca 2+ ) Ionikanavat ovat kiinni viereisessä kiliassa (kanavassa) säikeellä (prot.) Kun karvat liikkuvat suhteessa toisiinsa kanava avautuu ja sulkeutuu. Lepotilassa osa kanavista on auki Mahdollistaa sähköisen signaalin karvojen liikkuessa kumpaan tahansa suuntaan hyperpolarisaatio vs. depolarisaatio Karvasolujen sähköiset ominaisuudet Lepotilassa karvasolun MS kanavista on osa auki (~15%) r.p.~-60 mv Kanavien aukeaminen aiheuttaa depolarisaation ja sulkeutuminen hyperpolarisaation Endolymfan [K + ] 145 mm kaliumin Nernstin pot. positiivisempi kuin r.p.!!! Taipuminen toiseen suuntaan depolarisoi ja toiseen suuntaan hyperpolarisoi reseptorin. Neuronin aktiopotentiaali frekvenssi transmitterin erityksen Karvasolun liikkeen koodaus Johtuen karvasolun sähköisistä ominaisuuksista se voi koodata aaltomaista värähtelyä sensorisen neuronin aktiopotentiaali frekvenssiksi Karvasolun membraanipotentiaali oskilloi noudattaen kilioiden liikettä transmitterin eritys on suoraan verrannollinen membraanipotentiaaliin Depolarisaatio aktiopotentiaalifrekvenssi ylös. Hyperpolarisaatio aktiopotentiaalifrekvenssi alas Äänen intensiteetin aistiminen Ainakin kolme eri mekanismia: 1) Basillaarimembraanin aaltoliikkeen amplitudi ääniaallon amplitudin kasvaessa Enemmän AP/neuroni 2) Kun amplitudi kasvaa basilaarimembraanin resonoiva alue kasvaa Enemmän aktivoituvia karvasoluja spatiaalinen summautuminen 3) Ulommaiset karvasolut aktivoituvat kun basillaarimembraanin liike kasvaa tarpeeksi suureksi merkki hermostolle kovasta äänestä? Äänen korkeuden aistiminen 1) Basilaarimembraani on erilainen eri osissa scala mediaa. Soikean ikkunan lähellä membraani on ohut ja jäykkä, lähellä helikotremaa membraani paksu ja taipuisai. 2) Paineaalto kokleassa aiheuttaa basaalimembraanin etenevän aallon jonka äänen taajuudesta riippuen aiheuttaa eri kohtaan suurimman poikkeaman. Äänen taajuus koodautuu näin paikaksi basaalimembraanille (tonotopia). Korkeat äänet lähelle soikeaa ikkunaa ja matalat lähelle helikotremaa. 3) Karvasolujen solukalvolla on erilaiset mekaaniset ominaisuudet eri osissa basaalimembraania. Lähellä soikeaa ikkunaa stereokiliat lyhyitä ja jäykkiä-- helikotreman (simpukan huipun) lähellä pitkiä ja taipuisia. 4) Karvasolujen sähköiset ominaisuudet ovat optimoituneet siihen taajuuteen jota ne aistivat 9

10 Karvasolujen vahvistusominaisuudet Karvasolujen taajuusvasteet Karvasoluissa on lepotilassa myös spontaania kalvopotentiaalin oskillaatiota, jonka taajuus on sama kuin ko. kohdassa basaalimembraania oleva mekaanisen resonassin taajuus. Tämä on karvasolujen membraanin ominaisuus solut käyttäytyvät samoin myös virtainjektioissa Karvasolu Kuulohermo Yhden alueen karvasolut vahvistavat maksimaalisesti tietyn taajuisen äänen aiheuttamaa paineaaltomuutosta karvasolut ovat taajuuskaistariippuvia vahvistimia. Karvasolun adaptaatio Kuuloradat Pitkään jatkuva karvasolun stimulaatio muuttaa kasvasolun vastetta adaptaatio Eräs selittavä mekanismi on ns. moottorimalli Kiloiden liikkuessa suhteessa toisiinsa jousessa kiinni oleva ionikanava aukeaa kanavasta menee sisään kalsiumia aktivoi aktiini-filamenttiin kiinnittyneen moottori -kompleksin (myosiini ATP-aasi), joka siirtää kanavaa membraanilla niin että tensiovahenee kanavan sulkeutuu Analoginen lihaksen supistumiselle Tämän mekanismin rooli ihmisen simpukassa on kyseenalaistettu 1) onko jatkuvaa tasaista stimulusta? 2) Endolymfan [Ca 2+ ] i in hyvin matala, riittääkö virta nostamaan sytosolin [Ca 2+ ] i tarpeeksi? 3) tämän adaptaation ylärajataajuus on 160 Hz kuuloalue Hz! Muita mekanismeja Mm. osmoottiset muutokset solujen koossa ja sijainnissa Kalmoduliini, Myosiini? Karvasolut synapsoivat spiraaliganglion periferisiin haarakkeisiin, ja näiden solujen aksonit muodostavat kuulohermon, joka johtaa signaalit ensin kokleaaritumakkeisiin keskiaivoissa, ja sieltä edelleen (talamuksen kautta) ko. tehtävään erikoistuneelle isonaivonkuorelle. Jo aivorungosta (cochleaari tumakkeista) lähtevät hermokimput sisältävät sekoituksen kummankin korvan vievistä hermosyistä Aivorungon olivary tumake detektoi eri korviin saapuvan äänen aikaeron inputti molemmista korvista output aivokuori Suuntakuulo Primaarisella kuulo-aivokuorella tietyn korkuiset äänet paikantuvat tiettyyn paikkaan Äänen prosessointi aivokuorella Primäärinen auditorinen aivokuori Inputti suoraan talamuksesta (medial genikulate) Sekundäärinen aivokuori (assosiatiivinen) Primäärisen ympärillä Inputti primääriseltä Prim. Aivokuorella taajuudet jakautuneet eri osiin; tonotooppiset kartat Eri alueilla olevat neuronit aktivoituvat tietyillä äänen korkeuksilla Binauraaliset reseptiiviset kentät Summaatio alueet ovat herkkiä molemmista korvista tulevalle inputille Supressioalueen solut ovat herkkiä joko oikeasta tai vasemmasta korvasta tulevalle inputille Äänilähteen paikannus; resoluutio jopa 1 Tasapainoaisti Tasapainoaisti koostuu kolmen eri aistijärjestelmän yhteistoiminnasta: sisäkorvan vestibulaarielimen, näköaistin sekä asentotunnon (proprioseption). Aistii pään liikettä (kulmakiihtyvyyttä) 3-D pyöritys Lineaarista kiihtyvyyttä Suoraviivainen kiihtyvyys Asentoa painovoimakentan suhteen 10

11 Sisäkorvassa sijaitsee simpukan lisäksi myös ns. vestibulaarielin vastaavanlaisessa kalvojärjestelmässä kuin simpukkakin Nestetilat (perilymfa ja endolymfa) ovat näiden rakenteiden välillä jatkuvia, ja aistinsolutkin ovat samankaltaisia karvasoluja. Kummankin puolen sisäkorvassa oleva vestibulaarielin koostuu kahdesta laajentumasta, utriculus ja sacculus, sekä kaarikäytävistä, joita on kolme. Eri puolen korvien vestibulaarielimet ovat toistensa peilikuvia. Aistinsoluina toimivien karvasolujen transduktioprosessi on samanlainen kuin kuuloaistinkin kohdalla. Vestibulaarielin Kaarikäytävät Kaarikäytävien orientaatio (3-D) mahdollistaa eri suuntiin tapahtuvan (pään) liikkeen havaitsemisen (X-Y-Z) Superior-kaarikäytävä reagoi nyökkäävään liikkeeseen Posteriorinen kanava pään kallistus Horisontaalinen kanava pään pyöritys Otoliittielimet Sisäkorvassa on kaksi endolymfan täyttämää kalvopussia Soikea rakkula (Utrikulus) ja Pyöreä rakkula (Sacculus). Aistinsolujen (karvasolut) karvat työntyvät hyytelömäiseen aineeseen, otoliittimembraaniin Otoliittimembraani sis. Otoliittejä, kalsiumkarbonaattikiteitä (CaCo 3 ) Erikoistuneita rakenteita lineaarisen kiihtyvyyden (mm.painovoima) aistimiseen Otoliitit tekee otoliittimembraanista tiheämpää kuin ympäroivästä endolymfasta ellei aistinelin ole vaakasuorassa otoliittimembraani liikkuu suhteessa karvasoluihin ja taivuttaa niitä. Painovoiman aistiminen Macula Otoliitit tekee otoliittimembraanista tiheämpää kuin ympäroivästä endolymfasta ellei aistinelin ole vaakasuorassa otoliittimembraani liikkuu suhteessa karvasoluihin painovoiman vaikutuksesta ja taivuttaa niitä. Sama ilmiö tapahtuu molempiin suuntiin Karvasoluissa depolarisaatio/hyperpolarisaatio riippuen taivutuksen suunnasta Kaarikäytävien reseptorit Utriculuksesta lähtevissä kaarikäytävissä on kussakin laajentuma, ampulla, joka sisältää kalvomaisen hyytelökeon, kupulan Kupulan sisään työntyneenä ovat karvassolujen karvat, solujen sooma on kupulan alla olevassa harjanteessa (Crista ampularis) tukisolujen lomassa Kupulan sisällä olevat karvasolujen karvat taipuvat kaarikäytävän liikkuessa suhteessa endolymfaan ja cupulaan (vrt. vesisankon pyöritys sanko pyörii, vesi pysyy paikallaan) Kiertoliikkeen aistiminen Pään kääntyessä kaarikäytävien sisältämä endolymfa jää jälkeen ja painaa kupulaa. Tämä liike syntyy normaalisti vain pään kääntymisen seurauksena. Peilikuvamaisuuden vuoksi kaarikäytävien liikkeet ovat usein eri puolen korvissa toisilleen vastakkaisia. Aistinsolujen ärsytys lisääntyy, jos kupula taipuu utriculukseen päin, ja vähenee, jos taipuminen on utriculuksesta poispäin. Kun pään kiertävä liike pysähtyy, endolymfan liike jatkuu vielä tovin, jolloin syntyy aistimus vastakkaiseen suuntaan tapahtuvasta liikkeestä. Tämä ei tulee esille normaalisti vain pitkissä liikkeistä (pyörivä tuoli, karuselli yms.). 11

12 Tasapainoelimien informaation prosessointi Vestibulaarielimen aksonittomat aistinsolut synapsoivat afferenttien hermopäätteiden kanssa, ja niiden aksonit vievät signaaleja neljään vestibulaaritumakkeeseen ydinjatkoksessa. Näistä on yhteydet pikkuaivoihin, selkäytimeen ja aivorunkoon, eityisesti silmän liikkeitä sääteleviin tumakkeisiin (n. oculomotorius ja n. trochlearis). Vestibulaarielimen aistimuksia varten ei näytä syntyneen spesifistä aivokuoren projektioaluetta tasapainoon liittyvää informaatiota kaytelään enemmän automaattisiin reflekseihin jotka jäävät tiedostamatta Kehon asentoon liittyviä asioita kuitenkin prosessoidaan mm. päälaenlohkossa (mm. gyrus angularis ympäristöineen). Silmän liikkeiden säätely/tasapainoaisti Vestibulo-okulaariset refleksit: silmän asennon muutokset pään liikkeiden muuttuessa. Pään kallistuksen tai eteen/taakse taivutuksen yhteydessä katseen kiinnittäminen on vaivatonta (tapahtuu automaattisesti), ja kuva pysyy terävänä. Vestibulaarielimen välittämät tiedot pään kiihtyvyystilanteesta välittyvät silmän liiketumakkeiden kautta silmän liikuttajalihaksiin, jotka suorittavat tarvittavan kompensaation. Nystagmus: vestibulaarielimen, erityisesti kaarikäytävien virheellinen toiminta aiheuttaa silmien liikkeen, jossa vuorottelevat hidas liike toiseen ja piiskamaisen nopea liike vastakkaiseen suuntaan. Kalorinen koe; endolymfa alkaa kiertää eri korvissa vastakkaisiin suuntiin, ja aiheutta lievän huimauksen ja nystagmuksen. Optokineettinen nystagmus tarkoittaa katseen (nykivää) kohdistamista paikallaan pysyvien objektien seuraamiseksi, kun itse liikutaan. Tasapainoaisti ja silmän liikkeet Vestibulo-okulaariset refleksit Tasapainoelimen häiriöt Humala Kaarikäytävien aistimus muuttuu, jos veressä on suuria määriä etenolia. Kupulan tiheys muuttuu erilaiseksi kuin endolymfan (etanolin liukeneminen on erilaista), ja ne alkavat reagoida osittain otoliittien tapaan. Seurauksena on yleensä kiertävän huimauksen tunne Vestibulaarielimen vauriot: Osittainen vaurio tai häiriötilat johtavat usein vaikeaan huimaukseen (erityisesti toispuoleinen vaurio) Meniéren tauti (endolymfan ylituotanto). Molemminpuoleinen vestibulaarielimen tuho ei aiheuta yleensä vakavia oireita. Silmien kohdistaminen esim. liikkuvasta autosta voi olla vaikeaa, ja tasapainon ylläpitäminen tilanteissa, jossa näköaisti ei toimi (esim. pimeä). 12