Smegenų anatomija ir funkcijos - www.Kristalai.eu

Smegenų anatomija ir funkcijos

Smegenų anatomija ir funkcijos:
Nuo neuronų iki sudėtingų tinklų

Kiekviena tavo mintis, kiekvienas prisiminimas ar emocija kyla iš suderinto maždaug 86 milijardų neuronų darbo – šios ląstelės sudaro, ko gero, sudėtingiausią žinomą struktūrą visatoje – žmogaus smegenis.1 Suprasdami, kaip veikia ir sąveikauja atskiros smegenų dalys, ne tik atskleidžiame sąmonės biologinius pagrindus, bet ir skatiname medicinos, švietimo bei dirbtinio intelekto proveržius. Šiame straipsnyje aptariamos pagrindinės smegenų struktūros ir aiškinama, kaip neuronai susijungia į dinamiškus tinklus, palaikančius elgesį, mokymąsi ir sveikatą.

Turinys

  1. Įvadas
  2. Centrinės nervų sistemos anatominė apžvalga
  3. Pagrindinės smegenų struktūros ir jų funkcijos
    1. Smegenų žievė (korteksas)
    2. Hipokampas
    3. Amigdalė
    4. Talamusas
    5. Bazaliniai ganglijai
    6. Smegenėlės
    7. Smegenų kamienas
    8. Hipotalamas
    9. Didžioji smegenų jungtis ir komisarai
    10. Skilvelių sistema ir smegenų skystis
  4. Neuronai: signalų perdavimo pagrindas
    1. Ląstelės sandara
    2. Jaudinantys, slopinantys ir moduliuojantys neuronai
    3. Elektrinis signalizavimas
    4. Cheminė sinapsinė transmisija
    5. Glijos (pagalbinės ląstelės)
  5. Neuronių tinklai ir plastiškumas
    1. Mikrociklai
    2. Osciliacijos ir smegenų ritmai
    3. Didelės apimties funkciniai tinklai
    4. Neuroplastiškumas: prisitaikantys ryšiai
  6. Kaip tiriame smegenų struktūrą ir ryšius
  7. Svarba sveikatai ir ligoms
  8. Išvados

1. Įvadas

Senovės Egipte balzamuotojai išmesdavo smegenis, manydami, kad protas gyvena širdyje. Šiuolaikinė neurologija neturi tokių abejonių: pažinimas, emocijos ir svarbios autonominės funkcijos kyla iš centrinės nervų sistemos (CNS) – smegenų ir nugaros smegenų – o periferiniai nervai perduoda informaciją į kūną ir iš jo.2 Kadangi sutrikimai bet kuriame CNS lygmenyje gali sukelti rimtus simptomus, ryšio tarp struktūros ir funkcijos analizė išlieka biomedicinos tyrimų pagrindas.

2. Centrinės nervų sistemos anatominė apžvalga

Suaugusio žmogaus smegenys sveria apie 1,3–1,4 kg (~3 svarus), bet sunaudoja 20–25 % visos kūno ramybės būsenos energijos.3 Embriono raidoje jos susiformuoja iš trijų pirminių pūslelių – priekinės (prosencephalon), vidurinės (mesencephalon) ir užpakalinės (rhombencephalon) smegenų, iš kurių išsivysto šios struktūros:

  • Priekinės smegenys: didžiosios smegenys (žievė ir požieviniai branduoliai), talamusas, hipotalamas.
  • Vidurinės smegenys: tectum ir tegmentum, dalis smegenų kamieno.
  • Užpakalinės smegenys: smegenėlės, tiltas, pailgosios smegenys.

Šie padaliniai suderintai valdo jutimų apdorojimą, judesių kontrolę, homeostazę, atmintį ir aukštesnio lygio mąstymą, veikiant sudėtingiems tinklams.

3. Pagrindinės smegenų struktūros ir jų funkcijos

3.1 Smegenų žievė (korteksas)

Smegenų žievė – tai išorinė, 2–4 mm storio smegenų danga, kuri sulankstyta į vagas (sulci) ir vingius (gyri), taip padidinant paviršiaus plotą iki ~2 500 cm². Histologiškai ji turi šešis horizontalius sluoksnius, sudarytus iš piramidinių projekcinių neuronų ir įvairių tarpininkaujančių neuronų, kurie išsidėsto vertikaliai į žievės kolonas, apdorojančias specifinius signalus.4 Evoliucojos eigoje neokorteksas stipriai išaugo primatams, palaikydamas kalbą, abstraktų mąstymą ir socialinius gebėjimus.

Skiltys ir specializacijos

  • Kaktinė skiltis (front): vykdomosios funkcijos, valingas judėjimas (pirminė motorinė žievė, M1), kalbos gamyba (Broca sritis), impulsų kontrolė ir darbo atmintis.5
  • Parietalinė skiltis (viršus): kūno jutimai (pirminė somatosensorinė žievė, S1), erdvinis dėmesys, skaičių suvokimas, mentalinė rotacija.
  • Smilkininė skiltis (šonas): klausos apdorojimas, kalbos supratimas (Wernicke sritis), semantinė atmintis, veidų atpažinimas.
  • Pakaušinė skiltis (galas): pirminės ir antrinės regos žievės, kurios atpažįsta formas, spalvas, judesį ir daiktų tapatybę.
  • Insula (paslėpta): interocepcija (vidinių kūno būsenų jutimas), skonio suvokimas, skausmo integracija, emocijų suvokimas.

Nors specializacija akivaizdi – pvz., kairės apatinės kaktinės srities pažeidimas sutrikdo kalbą – dauguma gebėjimų kyla iš skirtingų skilčių tinklų bendradarbiavimo, atspindinčio smegenų „komandinę“ sandarą.

3.2 Hipokampas

Hipokampas, primenantis jūros arkliuką, yra vidinėje smilkinio skiltyje. Jis paverčia trumpalaikius išgyvenimus į ilgalaikę deklaratyviąją atmintį, kuria erdvinius žemėlapius per „vietos ląsteles“ ir palaiko kontekstinio baimės mokymosi procesus.6 Šios srities pažeidimai (žinomas pacientas H.M.) sukėlė nesugebėjimą formuoti naujų prisiminimų.7 Lėtinis stresas ar padidėjęs kortizolis sumažina hipokampo tūrį, siejant emocinę sveikatą ir atmintį.

3.3 Amigdalė

Priekyje nuo hipokampo įsitaisiusioje amigdaloje yra keli branduoliai, kurie priskiria stimulams emocinę reikšmę – ypač baimei, pasibjaurėjimui, atlygiam.8 Ji moduliuoja autonominius atsakus per hipotalamą, stiprina emocinių įvykių atmintį per signalus hipokampui ir veikia socialinį sprendimų priėmimą bei agresiją.

3.4 Talamusas

Talamusas veikia kaip „centrinė stotis“, perduodama beveik visą sensorinę informaciją (išskyrus kvėpavimą) į žievę per topografiškai organizuotus branduolius.9 Jis dalyvauja motoriniuose cikluose ir sąmonėje; giluminė talamuso stimuliacija gali atstatyti sąmonę sąmonės sutrikimų turintiems pacientams. Pulvinaras reguliuoja regos dėmesį, o ventralinis užpakalinis branduolys – kūno jutimus.

3.5 Bazaliniai ganglijai

Šios požievinės struktūros – uodeguotasis branduolys, kriauklė, blyškusis kamuolys, juodoji medžiaga ir požievinis branduolys – sudaro grįžtamuosius ryšius su motorine ir prefrontaline žieve, inicijuoja ar stabdo judesius, pasirenka veiksmus, koduoja atlygio klaidas.10 Dopaminerginių ląstelių nykimas juodojoje medžiagoje sukelia Parkinsono ligą, o per didelis dopamino kiekis branduoliuose prisideda prie priklausomybių.

3.6 Smegenėlės

Anksčiau laikytos tik motorikos koordinatorėmis, smegenėlės tikslina judesių laiką, pusiausvyrą ir laikyseną, lygindamos planuotą komandą su sensoriniais atsiliepimais. Naujausi tyrimai atskleidžia ir jų vaidmenį kalboje, emocijose, darbo atmintyje.11 Vaikų smegenėlių pažeidimai gali paveikti socialinį suvokimą.

3.7 Smegenų kamienas

Vidurinės smegenys, tiltas ir pailgosios smegenys turi branduolius, kontroliuojančius akių judesius, miego-budrumo ciklus, širdies ir kvėpavimo centrus, kaukolės nervus, atsakingus už veido jutimus ir rijimą.12 Per kamieną einanti retikuliarinė formacija moduliuoja sužadinimą, filtruoja signalus, kad į žievę patektų tik svarbi informacija.

3.8 Hipotalamas

Nors nedidelis, hipotalamas palaiko homeostazę – reguliuoja temperatūrą, alkį, troškulį, cirkadinius ritmus ir hormonų gamybą per hipofizę.13 Čia esančios nervinės ląstelės jaučia kraujo osmosinį slėgį, gliukozę, netgi imuninę būklę, koordinuodamos autonominius, hormoninius ir elgesio atsakus, būtinus išlikimui.

3.9 Didžioji smegenų jungtis ir komisarai

Didžioji smegenų jungtis (corpus callosum) – daugiau kaip 190 milijonų aksonų – jungia kairįjį ir dešinįjį pusrutulius, užtikrina greitą tarppusrutulinį ryšį. Kiti komisurai (priekinis, užpakalinis, hipokampinis) jungia smilkinines skiltis ir regos takus.14 Chirurgiškai perkirpus (sunkios epilepsijos atveju) atsiranda „suskaldytų smegenų“ fenomenai: žmogus gali įvardyti objektą dešinėje, bet tik nupiešti – kairėje regos lauko pusėje, atskleidžiant lateralizuotą apdorojimą.

3.10 Skilvelių sistema ir smegenų skystis

Keturios tarpusavyje sujungtos smegenų ertmės gamina ir cirkuliuoja smegenų skystį, kuris saugo smegenis, pašalina atliekas, paskirsto neuromediatorius. Skysčio tėkmės blokada sukelia hidrocefaliją, o sumažėjusi cirkuliacija siejama su Alzheimerio liga.15

4. Neuronai: signalų perdavimo pagrindas

4.1 Ląstelės sandara

Tipiškas neuronas susideda iš:

  • Soma (ląstelės kūnas): turi branduolį ir visas medžiagų apykaitos sistemas.
  • Dendritai: šakoti ataugos, gaunančios sinapsinius signalus.
  • Aksonas: viena, dažnai mielinizuota atauga, perduodanti veikimo potencialą tolimiems taikiniams.
  • Sinapsė: specializuota jungtis, kur aksono galūnė perduoda signalą kitam neuronui ar efektoriui.14

4.2 Jaudinantys, slopinantys ir moduliuojantys neuronai

Kortekse apie 80 % neuronų yra glutamaterginiai (jaudinantys) piramidiniai, siunčiantys ilgalaikes projekcijas, o apie 20 % – GABA slopinantys interneuronai, kurie užtikrina signalų laiko tikslumą ir neleidžia per dideliam sužadinimui.16 Neuromoduliuojančios ląstelės – dopaminerginės (vidurinės smegenys), serotonerginės (raphės branduoliai), noradrenerginės (mėlynoji dėmė), cholinerginės (bazalinė priekinė smegenų dalis) – plačiai moduliuoja visų tinklų aktyvumą.

4.3 Elektrinis signalizavimas

Neuronai palaiko ramybės potencialą (~ –70 mV). Kai depoliarizacija pasiekia slenkstį, atsidaro Na⁺ kanalai ir susidaro veikimo potencialas, kuris be nuostolio keliauja aksonu.17 Mielino apvalkalas (oligodendrocitai CNS, Schwanno ląstelės PNS) izoliuoja aksonus ir leidžia signalui „šokinėti“ Ranvjero mazgais iki 120 m/s greičiu. Mielino praradimas (pvz., sergant išsėtine skleroze) sulėtina ar blokuoja signalus, sukeldamas jutimų ir judesių sutrikimus.

4.4 Cheminė sinapsinė transmisija

  1. Veikimo potencialas pasiekia presinapsinę galūnę.
  2. Atsidaro Ca²⁺ kanalai, jonai skatina pūslelių susiliejimą su membrana.
  3. Neuromediatorius (pvz., glutamatas, GABA, acetilcholinas, dopaminas) išskiriamas į sinapsinį plyšį.
  4. Prisijungęs prie postsinapsinių receptorių, jis atidaro jonų kanalus ar aktyvuoja G‑baltymų kaskadas, keičia membranos potencialą ar genų ekspresiją.

Sinapsės yra plastiškos: kartotinis aktyvinimas stiprina ryšius (ilgalaikis potencijavimas) arba silpnina (ilgalaikė depresija) – tai mokymosi pagrindas.

4.5 Glijos (pagalbinės ląstelės)

Glijos sudaro apie 1,5 karto daugiau nei neuronų ir apima:

  • Astrocitai: palaiko jonų balansą, perdirba neuromediatorius, reguliuoja sinapses, sudaro kraujo-smegenų barjerą.
  • Oligodendrocitai / Schwanno ląstelės: gamina mieliną CNS ir PNS.
  • Mikroglija: imuniniai sargybiniai, šalina atliekas, šalina sinapses, išskiria citokinus.
  • Ependiminės ląstelės: iškloja skilvelius, gamina ir cirkuliuoja smegenų skystį.

Glijos nėra pasyvios: jos aktyviai reguliuoja sinapsių stiprumą ir kraujotaką, o astrocitų kalcio bangos lemia vietinį kraujotakos padidėjimą neuronų aktyvumo metu.

5. Neuronių tinklai ir plastiškumas

5.1 Mikrociklai

Viename kortekso kubiniame milimetre yra apie 100 000 neuronų, kurie susijungia į standartinius modelius – įeinantį sužadinimą, grįžtamąjį slopinimą, šonines konkurencijas ir grįžtamuosius ryšius, sudarančius pagrindą bruožų aptikimui, kontrasto didinimui ir darbo atminčiai.18 Tokie modeliai aptinkami įvairiose rūšyse, todėl laikomi universaliosios „kompiuterinės“ smegenų dalys.

5.2 Osciliacijos ir smegenų ritmai

Neuronų populiacijos sinchronizuojasi į bangas: delta (0,5–4 Hz), theta (4–8 Hz), alfa (8–12 Hz), beta (13–30 Hz), gama (30–100 Hz) – tai matoma EEG ar MEG įrašuose. Theta ritmai koordinuoja hipokampo kodavimą navigacijos metu; alfa – vizualinį dėmesį; gama protrūkiai – informacijos sujungimą į vieną suvokimą.19 Sutrikę ritmai būdingi epilepsijai ar šizofrenijai.

5.3 Didelės apimties funkciniai tinklai

Ramybės būsenos fMRI ir difuzinė MRI atskleidžia, kad tolimos smegenų sritys jungiasi į pagrindinius tinklus:

  • Numatytojo režimo tinklas (DMN): medialinė prefrontalinė, užpakalinė cingulinė, kampinės vingiai – aktyvus, kai klajojame mintimis.20
  • Svarbos tinklas: priekinė insula ir nugarinė priekinė cingulinė – aptinka svarbius stimulus ir perjungia dėmesį tarp tinklų.
  • Centrinis vykdomasis tinklas: nugarinė prefrontalinė ir parietalinė žievė – palaiko darbo atmintį ir tikslų siekimą.

Tinklų sutrikimai būdingi Alzheimerio ligai, depresijai, ADHD, lėtinio skausmo sindromams.

5.4 Neuroplastiškumas: prisitaikantys ryšiai

Patirtis, mokymasis ir trauma keičia neuronų ryšius per:

  • Sinapsinį plastiškumą: LTP/LTD stiprina ar silpnina ryšius.
  • Struktūrinį plastiškumą: dendritų ataugų augimą ar mažinimą, aksonų šakų dygimą.
  • Neurogenezę: naujų neuronų gimimą (hipokampe, uoslės svogūnėlyje), palaikančią atmintį ir nuotaiką.

Didžiausias plastiškumas stebimas „kritiniais periodais“ (pvz., kalbos įsisavinimas), bet tęsiasi visą gyvenimą, leidžiant atsigauti po insulto ar sensorinių praradimų.21

6. Kaip tiriame smegenų struktūrą ir ryšius

  • MRT: matoma anatomija iki milimetrų tikslumu; difuzinis MRT leidžia sudaryti jungčių žemėlapį (konektomą).
  • fMRI: aptinka kraujo deguonies lygio pokyčius (BOLD signalai), rodančius neuronų aktyvumą.
  • EEG ir MEG: fiksuoja milisekundės trukmės elektrinius/magnetinius laukus, leidžia tyrinėti smegenų ritmus.
  • Optogenetika ir kalcio vaizdinimas: leidžia valdyti ir stebėti konkrečias ląsteles gyvūnų tyrimuose.22
  • Transkranialinė magnetinė stimuliacija (TMS): neinvaziškai veikia žievės sritis, leidžia tirti priežastinius ryšius žmogui.
  • Vienaląsčiai ir erdviniai transkriptominiai tyrimai: atskleidžia ląstelių tipus ir jų išsidėstymą smegenyse.
  • Smegenų organoidai: kamieninių ląstelių 3D kultūros, atkartojančios ankstyvą žievės raidą ir modeliuojančios genetines ligas.

7. Svarba sveikatai ir ligoms

Neurologiniai ir psichikos sutrikimai dažnai yra tinklų disfunkcijos padarinys: dopamino stoka bazaliniuose ganglijuose (Parkinsonas), hipokampo irimas (Alzheimeris), amigdalos hiperaktyvumas (PTSD), prefrontalinių tinklų sutrikimai (ADHD). Mielino praradimas sukelia išsėtinę sklerozę, elektrinės iškrovos lemia epilepsiją. Progresas gilioje smegenų stimuliacijoje, neurogrįžtamojo ryšio, taikomosios farmakologijos, genų redagavimo ir smegenų-kompiuterio sąsajose suteikia vilčių atstatyti tinklų balansą ar apeiti pažeistas sritis.23 Gyvensenos veiksniai – fizinis aktyvumas, miegas, socialiniai ryšiai ir subalansuota mityba – stiprina neuroplastiškumą ir kognityvinį rezervą, mažindami su amžiumi susijusius pokyčius.

8. Išvados

Žmogaus smegenų architektūra – sluoksniuotas korteksas, atmintį kuriantis hipokampas, emocijas valdanti amigdalė, homeostazę palaikantis hipotalamas ir kt. – veikia tik todėl, kad milijardai neuronų keičiasi elektriniais ir cheminiais signalais, o jiems padeda ne mažiau svarbios glijos. Visi šie elementai sudaro tinklus, kurių ritmai ir stiprumas keičiasi mums besimokant, senstant ar gyjant. Studijuodami anatomiją drauge su fiziologija ir naujausiomis molekulinėmis technologijomis, mokslininkai artėja prie sąmonės paslapčių atskleidimo ir smegenų ligų gydymo. Studentams, gydytojams ir smalsiems skaitytojams ryšio tarp struktūros ir funkcijos suvokimas – tai langas į tai, kas daro mus žmonėmis.

Šaltiniai

  1. Kandel, E. R., ir kt. (2013). Principles of Neural Science (5 leid.). McGraw‑Hill.
  2. Purves, D., ir kt. (2018). Neuroscience (6 leid.). Oxford UP.
  3. Attwell, D., & Laughlin, S. B. (2001). An energy budget for signaling in grey matter. J Cereb Blood Flow Metab, 21, 1133–1145.
  4. Mountcastle, V. B. (1997). The columnar organization of neocortex. Brain, 120, 701–722.
  5. Fuster, J. M. (2015). The Prefrontal Cortex (5 leid.). Academic Press.
  6. O’Keefe, J., & Nadel, L. (1978). The Hippocampus as a Cognitive Map. Clarendon Press.
  7. Scoville, W. B., & Milner, B. (1957). Loss of recent memory. J Neurol Neurosurg Psychiatry, 20, 11–21.
  8. LeDoux, J. E. (1996). The Emotional Brain. Simon & Schuster.
  9. Sherman, S. M., & Guillery, R. W. (2013). Functional Connections of Cortical Areas. MIT Press.
  10. Albin, R. L., Young, A. B., & Penney, J. B. (1989). Functional anatomy of basal ganglia disorders. Trends Neurosci, 12, 366–375.
  11. Koziol, L. F., ir kt. (2014). The cerebellum’s role in movement and cognition. Cerebellum, 13, 151–177.
  12. Saper, C. B. (2012). The central autonomic nervous system. Ann Rev Neurosci, 35, 303–328.
  13. Swanson, L. W. (2012). Brain architecture and global order. Neuron, 76, 1123–1135.
  14. Gazzaniga, M. S. (2000). Cerebral specialization and interhemispheric communication. Brain, 123, 1293–1326.
  15. Iliff, J. J., ir kt. (2013). A paravascular pathway for CSF flow. Science Transl Med, 4, 147ra111.
  16. Tremblay, R., ir kt. (2016). GABAergic interneurons in the neocortex. Neuron, 91, 260–292.
  17. Hodgkin, A. L., & Huxley, A. F. (1952). Membrane current and excitation. J Physiol, 117, 500–544.
  18. Douglas, R. J., & Martin, K. A. C. (2007). Mapping the matrix: Neocortical circuits. Neuron, 56, 226–238.
  19. Buzsáki, G. (2006). Rhythms of the Brain. Oxford UP.
  20. Raichle, M. E., & Snyder, A. Z. (2007). A default mode of brain function. NeuroImage, 37, 1083–1090.
  21. Holtmaat, A., & Svoboda, K. (2009). Structural synaptic plasticity. Nat Rev Neurosci, 10, 647–658.
  22. Deisseroth, K. (2011). Optogenetics. Nat Methods, 8, 26–29.
  23. Rossi, M. A., ir kt. (2023). Circuit‑based interventions in neuropsychiatric disorders. Ann Rev Neurosci, 46, 413–440.

Atsakomybės ribojimas: Straipsnis skirtas tik edukaciniams tikslams ir nėra medicininė konsultacija. Turint sveikatos problemų, reikia kreiptis į gydytojus.

 ← Ankstesnis straipsnis                    Kitas straipsnis →

 

 

Į pradžią

Grįžti į tinklaraštį