Ihon aistit Ihotuntoon kuuluvat subjektiiviset aistimukset kosketuksesta, paineesta, vibraatiosta, kuumasta ja kylmästä sekä kivusta. Iholla ja sen alaisissa kudoksissa on suuri joukko sensorisia neuroneita, jotka ovat erikoistuneet havaitsemaan ulkoisen energian muutoksia. Ne aistivat eri energian muutoksia tai saman energian muutoksia eri nopeudella ja voimakkuudella. Tehtävänä on informoida keskushermostoa välittömästä ruumiinläheisestä ympäristöstä. Mitä ihon aistit koodaavat? Ihon aistit välittävät tiedon energiatilan muuttumisen Intensiteetistä. aistimuksen kynnysarvo vaihtelee suuresti eri tekijöiden seurauksena, koodataan aktiopotentiaali frekvanssiksi. Kestosta aistimus vähenee sen kestäessä pitkään = adaptaatio. Iholla on runsaasti eri nopeuksilla adaptoituvia ja eri nopeuksilla reagoivia reseptoreita. Paikasta mm. kahden pisteen erottelukyky riippuu reseptoreiden tiheydestä. Modaliteetista (luonteesta) eri fysikaalisille energioille omat reseptorit. Reseptorit yleensä jossakin määrin energiaspesifisiä Ihon aistisolut Aistinsolut voidaan jakaa modaliteettinsa mukaan Mekanoreseptorit; Meissnerin keränen (corpuscle), Pacinin keränen, Merkelin keränen, Ruffinin keränen, Karvasolujen follikkelien reseptorit Termoreseptorit Kylmäreseptorit ja lämpöreseptorit Kipureseptorit Nopeat ja hitaat Ihon aistinsolut Meissnerin keränen (corpuscle) nopea adaptaatio, aistii nopeita muutoksia, painekontrasteja. Pieni reseptiivinen alue 2-4mm, hyvä resoluutio Herkkä matalataajuiselle ihon paineen vaihtelulle Pacinin keränen Nopea adaptaatio, aistii nopeita paineen vaihteluita, laaja reseptiivinen kenttä point to point diskriminaatio huono) herkkä korkeataajuiselle paineen vaihteluille Merkelin keränen hidas adaptaatio, aistii kauan kestäviä paineen muutoksia, pieni reseptiivinen alue hyvä kahden pisteen erottelukyky. Ruffinin keränen hidas adaptaatio, aistii kauan kestäviä paineen muutoksia/ ihon venytys, suuri reseptiivinen alue, huono erottelukyky. Karvasolujen follikkelien reseptorit sijaitsevat karvasolujen juuressa vain alueilla jossa karvoitusta. Kahden pisteen erottelukyky vaihtelee ihoalueittain. Eri resepptorien aksonien paksuudet ja täten nopeudet vaihtelevat. Ihon lämpöreseptorit Kylmäreseptorit aktivoituvat ihon kylmetessä normaali lämpötilastaan, aktivoituminen ja myöhemmin aktiopotentiaalifrekvenssi on riippuvainen progressiivisesta lämpötilan laskun suuruudesta. Lämpötilan nousua aistivat reseptorit aktivoituvat samoin progressiivisesti 34-45 asteeseen, ts aktiopotentiaalifrekvenssi nousee. Kipureseptorit Nopeita ja hitaita; transduktio toimii alimodaliteetin mukaan. Osa aistimuksista solujen erittämien aineiden, esim. bradykiniinin, histamiinin, 5-HT:n aktivoimia Ihotuntoaistin reseptiiviset kentät Ihoärsykkeen paikallistaminen Eri ihoalueilla on eri määrät reseptoreita Eri kokoiset reseptiiviset kentät Tuntoaistin resoluutio (kahden pisteen erottelukyky) määräytyy reseptiivisten kenttien koon ja määrän mukaan Lateraali inhibiitio auttaa ihon tuntoaistia paikallistamaan ärsykkeen Reseptiivisen kentän stimulaatio inhiboi viereisen kentän aktiivisuutta Lisää stimuluksen suuruutta suhteessa viereisiin reseptiivisiin kenttiin Kontrasti korostuu B 1
Ihontunnon resoluutio Ihotunnon resoluutio on korkeimmillaan sormenpäissä ja kielessä Huonoimmillaan reisissä, selässä ja vatsassa Kahden pisteen erotuskyky vaihtelee välillä 2 mm- 6,5 cm Ihotunto: liikkeen havaitseminen Ihossa on reseptiivisiä kenttiä, jotka ovat erikoistuneet liikkeen ja sen suunnan havaitsemiseen Lämpöaisti Lämpöä aistivat erikoistuneet reseptorit Kylmä-reseptorit Ohuita myelinisoituneita hermoja (~20 m/s) Pääsiassa Aδ-tyypin neuronit Maksimiaktiviteetti 25-30 C Kuumareseptorit Myelinisoimattomia hermoja (~0.4-2 m/s) Pääasiassa C-tyypin neuronit Maksimiaktiviteetti >40 C Vaurioittavan kylmään tai kuumaan reagoivat kipureseptorit Kylmäreseptoreita n. 3-10x tiheämmässä kuin lämpöreseptoreita Kylmäreseptoreita huulissa 15-25 /cm 2, sormenpäissä 3-5 /cm 2 ja vain alle 1/ cm 2 vatsan ja selän alueella Lämpöreseptorit adaptoituvat nopeasti Vaikuttaa tuntemukseen nouseva/laskeva Spatiaalinen summaatio Vaikka reseptorien tiheys on pieni, nopeat suurelle kehon alueelle kohdistuva pienikin lämpötilan muutos (jopa 0.01 C) voidaan havaita Lämpöreseptorien aktivaatio Kylmäherkät neuronit aktivoituvat ainoastaan lämpötilan laskulla, kuumaherkät nousulla Kumpikaan tyyppi ei ole herkkä mekaaniselle stimulukselle Ihon normaalista lämpötilasta 33 C kuumemmassa lämpöherkät neuronit aktivoituvat progressiivisesti Normaalilämpötilassa kummatkin tyypit ovat aktivoituneena tuntemuksena neutraali Yli 45 C kipureseptorit Kuinka lämpötilaa aistitaan? Lämpötransduktion mekanismeista on esitetty erilaisia arvailuja Esim. aistiminen perustuu reseptorisolujen metabolian hidastumiseen (kylmä) tai kiihtymiseen (lämmin) Voi olla osittain totta (Na/K-pumppu) 1990-luvun puolenvälin jälkeen mitattiin neuroneista ensimmäiset ionivirrat, jotka aktivoituivat spesifisesti lämpötilan muutoksella 1997 kloonattiin ensimmäinen varsinainen termoionikanava Kapsaisiini-reseptori (kationikanava), aktivoituu korkeissa lämpötiloissa (kipureseptoreissa) sekä kapsaisiinilla Sittemmin on kuvattu useita Termokanavia TRP-kanavaperhe, TermoTRP-kanavat Termo-sensorit Kuuma-kanavat Osa kapaisiinilla akt. Inhiboituu mm. Rutenium puna Kylmä-kanavat Osa mentolilla akt. Inhiboituu mm. Rutenium puna Myös muita ehdotettu Mm. Na/K-ATPaasi lämpötila laskee akt. depol. aistimus 2
Termo-kanavien lämpötilaherkkyys Kipuaisti Kipuaisti on varoittaa kudos- ja soluvaurioista Erilaisia jakoja Kipu Somaattinen Pinnallinen Syväkipu Sisäelin Suurin osa termotrp-kanavista aktivoituu kuumassa (1-4), joista osa kipureseptoreissa (trpv1 ja 2) Vain Trpm8 varsinainen kylmä-sensitiivinen kanava Trpv1 (polttava) ja Anktm1 (jäätävä) esiintyy yhdessä erään tyypin kipusoluissa sama solu voi reagoida sekä kipua tuottavalle kuumalle että kylmälle (polymodal receptor) Nopea -mekaaninen stim. Iho -pisto -nipistys jne. Hidas -pitkäaikainen mek tai kemiallinen stim. Sidekudos, luut, jänteet lihakset Sappi-ja munuaiskivet, infarkti, vatsahaava Kipureseptorit Kaikki kipureseptorit ovat vapaita hermopäätteitä Iholla tiheässä Valtimoiden seinämissä, jänteissä yms. syvemmissä kudoksissa tiheys pienempi 3 eri tyyppiä stimuluksia Mekaaninen Pisto, nipistys Kemiallinen Vaurioituneesta kudoksesta: Bradykiniini,serotoniini, histamiini, kalium, protonit, proteolyyttiset entsyymit + tulehdustekijät kuten prostaglandiinit (herkistävät) Termaalinen Lämpötilan nousetessa yli + 45 C kipureseptorit aktivoituvat Kipureseptorit eivät adaptoidu, vaan joissain tapauksissa ne herkistyvät hyperalgesia Lämpöherkkä kipureseptori Lämpötilan noustessa >43 C kudostuhoja alkaa tapahtua (proteiinit denaturoituvat) Samassa lämpötilassa aktivoituvat myös lämpöherkät kipureseptorit Sensorina solussa on lämpöherkkä ionikanava Ionikanavaa herkistää mm. asidoosi, PKC fosforylointi, bradykiniini, prostaglandiini hyperalgesia Kipuhermotyypit Vapaat hermopäätteet ovat kytkeytyneet 2 eri tyypin hermoihin kaksi eri rataa kipureseptoreista CNS Aδ-hermot Nopea kipu mekaanisesti tai termaalisesti Myelinisoituneita, nopea johtuminen; 6-30 m/s Neospinotalaminen rata: Aδ-hermot 2- asteen interneuroni selkäytimen lamina marginalis talamus somatosensorinen aivokuori C-hermot Hidas kipu (krooninen), kemiallinen tai pitkäkestoinen mekaaninen/termaalinen Ei myeliinituppea, hidas johtuminen ;0,5-2 m/s Paleospinotalaminen rata: C-hermot 2- asteen interneuroni selkäytimen substantia gelanosa osa hermoista talamuksen kautta somatosensorinen aivokuori, loput mm. ydinjatkokseen, aivosiltaan ja keskiaivoihin (aivorungon aivoverkko; uni) Aivojen alemmat osatkin osallistuvat kivun tiedostamiseen koe-eläimillä Kivun paikantaminen Nopea kipu on helpompi paikantaa tietylle alueelle, kuin hidas, jatkuva kipu Samalta ihoalueelta tuleva tuntoaistimus helpottaa nopean kivun paikallistamista Ilman tuntoaistimusta kiputuntemuksen paikallinen resoluutio on heikko ~10 cm Paleospinaalinen rata suuri konvergenssi huono resoluutio Kroonisen kivun paikallistaminen vaikeaa 3
Heijastekipu Joissain tapauksissa henkilö tuntee kivun paikassa, joka voi olla kaukanakin kivun varsinaisesta lähteestä heijastunut kipu Mekanismi: Samat spinotalamiset neuronit (selkäytimessä) muodostavat synapseja eri paikoista tulevien sensoristen neuronien kanssa. Stimulus mielletään tulevaksi alueelta, jolta tulee useimmiten kyseisen interneuronin ärsytys. A B C Porttisolu-teoria Useilla eri kipuradan tasoilla inhibitooriset neuronit vaikuttavat kipuradan aktiivisuuteen Näitä inhibitorisia neuroneita kutsutaan portti-soluiksi Välittäjä aineina opiaatit; enkefaliini, dynorfiini, β-endorfiini (synt. Morfiini) Toiminta; A) kun kipureseptorista ei tule ärsytystä inhibitoorinen neuroni on toonisesti aktiivinen B) kun kipureseptori aktivoituu, se myös inhiboi porttisolun voimakas aktiviteetti lähtevissä kipuradoissa C) saman alueen kosketusaistin aktivoituminen aktivoi porttisoluja vähentää kipuhermon ärsytystä Selkäytimen sensoriset radat Selkäytimen takajuoste Takajuosteen sensorinen rata Suurin osa sensorisesta informaatiosta Kosketus, värinä, paine, lihasten aistit Paksuja hermoja Selkäydin (dorsaali) ydinjatkos aivosilta keskiaivot talamus aivokuori Spinotalaminen rata Lämpötila, kipu, paine Ohuita hermoja (hidas) Selkäydin (lateraali) ydinjatkos aivosilta keskiaivot talamus aivokuori Somatosensorinen aivokuori Sensorisella aivokuorella kukin kehon alue on edustettu omina alueinaan Alueen edustus on sitä suurempi mitä enemmän alueelta kerätään aistiinformaatiota Kasvojen ja käsien alue 4
Kemialliset aistit Kielen makuaisti Haju ja maku Kemialliset aistit perustuvat molekyylien muodon tunnistukseen aistinsoluissa Reseptorit paikallisia; erilaistuneita aistinelimiä Makuaisti on paikallinen, vaatii reseptorien kosketusta maun lähteen kanssa Hajuaisti on kaukoaisti, hajun lähde voi olla kaukanakin Hajuaisti on herkkä, hajuaineet erotetaan hyvin pieninä pitoisuuksina Lähes koko kielen pinnan alueella on nystymäisiä rakenteita (maku tai kielinystyt, taste buds) Eri kokoisia eri alueella kieltä (filiform, fungiform, circumvallate) Makunystyissä sijaitsee makusilmut (taste pore), joissa aistinsolut Eri kielen alueilla herkkyyksiä tietyille mauille Makunystyn rakenne a. Makusilmu (leveys n. 30 µm) b. Makusilmu, jossa 2 reseptoria c. Valokuvia makusilmusta a. mm. bipolaarisoluja d. 3-D konstruktio makusilmusta e. Makureseptorin rakenne Mikä maistuu miltäkin? Aistimukset mausta liittyvät tietyn kemikaalin interaktioon makuaistinsolun kanssa Kehittyneet evoluutiossa erottelemaan syötäväksi kelpaava kelpaamattomasta tai jopa myrkyllisestä Makea Orgaanisia yhdisteitä erit. sokerit Suolainen Elektrolyytit, natrium, kalium Hapan Hapot, sitruunahappo yms. Kitkerä Pilaantuneissa ruuissa Kasvialkaloidit (monet myrkkyjä), nikotiini, kofeiini, kiniini, morfiini jne. Umami (japani; umai=herkullinen) Aminohapot lihassa Glutamiinihappo (arominvahventaja, natrium-glutamaatti) Vesi Makuaistinsolut Primaariset makureseptorit: Makea, hapan, suolainen, karvas Lisäksi reseptoreita umamille (liha) ja (vedelle) Umami; (Miellyttävä) maku, joka on tyypillistä lihalle Reseptorit herkkiä aminohapoille, erityisesti glutamaatille, pienille peptideille Vesi; Tutkimukset ovat osoittaneet, että on olemassa vesireseptoreita erityisesti kurkunpäässä Maistamisherkkyydessa suuria yksilollisiä eroja, joista osa perittyjä (preferenssit opittuja) Makureseptorien määrä vähenee iän myötä Makureseptorin elinikä on lyhyt n. 10 päivää Kuinka eri maut aistitaan Suolainen ja hapan (+karvas) Suorat kanavavaikutukset Makea, karvas ja umami Reseptorit; camp, cgmp, IP 3 5
Ionikanavat makuaistinsoluissa Suolaisen ja happaman maistaminen Aistiminen ionikanavilla Ioni suoraan läpi kanavasta (virta) Makumolekyyli moduloi ionikanavaa Myös muut ionit kuin Na (suola) ja H (hapan) Myös muut kuin ionit (esim. kiniini) Solun sisäiset tekijät moduloivat Suolaisuus Reseptoreissa natrium kanavia (amiloriidisensitiivinen) Suurehko vuotovirta Ulkopuolen [Na + ] i nousee depolarisoiva virta kasvaa transmitterin eritys sensorisen neuronin aktivaatio Happamuus K + kanava, joka inhiboituu protoneilla Kalium virta normaalisti hyperpolarisoi solua kanava kiinni depolarisaatio transmitterin eritys sensorisen neuronin aktivaatio Makutransduktio Karvas Reseptori G-prot PLC IP 3 kalsiumin vapautuminen ER:stä eksosytoosi postsynaptinen potentiaali AP Makutransduktio Makea Reseptori G-proteiini adenylaattisyklaasi camp PKA kaliumkanava inhibiitio depolarisaatio jännite-aktivoituva kalsium kanava solun sisäinen kalsiumkonsentraatio nousee eksosytoosi postsynaptinen eksitaatio Makutransduktio Umami Makureseptorit Glutamaatti sitoutuu spesifiseen reseptoriinsa mglur4 G-proteiini aktivaatio (ei tiedetä mikä) PDE aktivaatio camp alas mikä on kohde? 6
Eri osista kieltä lähtee vieviä hermoja Craniaalihermot VII, IX ja X Kukin hermottaa eri tyypin makunystyalueita Talamuksen aivokuorelle Gustatorinen aivokuori sijaitsee lähellä kielen somaatis-sensorista aivokuorta (tunto) Makuaisti adaptoituu nopeasti Reseptorien adaptaatio selittää tästä vain pienen osan CNS adaptoituu? Tässä suhteessa eroaa useimmista muista aisteista joilla adaptaatio tapahtuu reseptoreissa Makuaistin hermoradat The 2004 Nobel Prize in Physiology or Medicine Press Release: 4 October 2004 The Nobel Assembly at Karolinska Institutet has today decided to award The Nobel Prize in Physiology or Medicine for 2004 jointly to Richard Axel and Linda B. Buck for their discoveries of "odorant receptors and the organization of the olfactory system Löysivät hajureseptoreita koodaavan geeniperheen Löysivät feromonireseptoreita koodaavan geeniperheen Hajuaisti Erottaa tuhansia (~10000) eri tuoksuja Nisäkkäiden genomissa ~1000 eri reseptoriproteiinigeeniä ~1000 erilaista reseptoria N. 3% kaikista geeneistä Teoriassa miljardeja erilaisia tuoksuja Ihmisellä suuri osa pseudogeenejä CNS tulkitsee eri hajut perustuen eri reseptorityyppien suhteellisiin aktivoitumisiin Reseptorien kierto nopeaa, vähenee iän myötä Perinteisesti ainakin 7 eri perustuoksua Kamferi, Myski, Kukkais, Piparminttu, Eetteri, Pistävä, Mädäntynyt (pilaantunut) Haistaminen Nenäontelossa hajuaineet kosketuksessa hajuepiteelin kanssa Hajuepiteelissä reseptorisolujen karvoja (20-30, suuri pinta-ala) Hajuaineet sitoutuvat reseptoreihin spesifiset reseptorit aktivoituvat Glomerulus, kunkin reseptorityypin aksonit omat aksonit Haistamisen anatomiaa Hajutransduktio Hengitysilman mukana nenäonteloon tulevat hajuaineet joutuvat kosketuksiin hajuepiteelin kanssa Hajuepiteelissä; reseptorisolut, tukisolut, tyvisolut ja liman (uusiutuu nopeasti, Bowmannin rauhaset) peittämät reseptoreiden värekarvat Reseptorisolujen aksonit seulaluun läpi synapsit hajukäämin (olfactory bulb) sensoristen neuronien kanssa Inhibiitio Stimulaatio Sitoutuminen spesifiseen reseptoriin hajutransduktio Adenylaattisyklaasi camp Kationikanava Adaptaatio Kalsium kationikanavan herkkyys + camp hajoitus PKA, ORK Reseptorin fosforylaatio 7
Hajuaistinsolun sähköiset vasteet Molekyylin sitoutuminen reseptori (AC ym. ) kationikanava depolarisaatio (generaattoripotentiaali) AP Kuinka hajut koodataan Nykyinen teoria tai malli haistamisesta Hajuaineilla 2 ominaisuutta Kuvattu tässä muoto/väri Reseptorit ovat spesialisoituneet havaitsemaan tietyn muodon ja värin Jompikumpi aiheuttaa osittaisen vasteen Kumpikin ominaisuus tarvitaan täyteen aktivaatioon Hajuaistiradat Hajuhermo on ainoa perifeerinen hermo, joka liittyy suoraan isoihin aivoihin Hajuhermo hajuaivokuorelle Otsalohkon alaosassa Suoraan yhteydessä limbiseen järjästelmään Talamuksen kautta frontaalikorteksille Feromonit Molekyylejä, joita saman lajin yksilöt ovat tuottaneet ja vapauttaneet Kertoo jotain lähettäjästä Saa aikaan reaktion vastaanottajassa Vomeronasaalielin Eläimillä erilaistunut elin feromonien aistimiseen Ihmisellä sikiökaudella selvä VHO Kehityksen aikana pienenee/häviää? Samaan paikkaan nenäontelossa jää rakenteita (VHO) Reseptorit VNO:ssa (eläimet) ekspressoidaan sille spesifisiä (G-protreseptoreita) Ihmisellä kaikki paitsi yksi VNO reseptoreiden geeneistä ovat ns. pseudogeenejä (toimimattomia kopioita) Löytyi 11:sta eri etnistä taustaa olevalta ihmiseltä Mitä ja missä tämän geenin tuottama proteiini ihmisellä tekee? Lateraalinen inhibiitio Reseptiiviset kentät 8
Ihon tuntoaisti Kipu Lämpöaisti Silmän osat Valon transduktio Värinäkö 9
Valon transduktio Gangliosolujen toiminta Näköradat Ääni ja korvan osat Simpukan rakenne/toiminta Äänen korkeuden aistiminen 10
Karvasolun toiminta Tasapainoelin Kulmakiihtyvyyden aistiminen Tasapaino/Painovoima Haju Hajureseptorit Fig. 2. Phylogenetic tree of sequence relationships among ORs. This tree compares the 339 members of the human OR family, 23 rodent ORs of known function, and 28 fish ORs. Green branches represent fish ORs, and red branches represent human and rodent ORs with known odorant specificities. 11
Maku Eri maut Makutransduktio Aivojen sensorinen kartta 12