Ugrás a tartalomhoz

Az orvosi élettan tankönyve

Attila, Fonyó (2011)

Medicina Könyvkiadó Zrt.

10. fejezet - VII. rész - Idegrendszeri működések

10. fejezet - VII. rész - Idegrendszeri működések

Tartalom

33. fejezet - Az idegrendszeri működések megismerésének útjai
Az idegrendszer kutatásában alkalmazott képalkotó eljárások (in vivo anatómia)
Az idegrendszeri működés követése az elektromos jelek alapján
Az egyes idegrendszeri működések lokalizálhatósága
34. fejezet - Szenzoros működések I.: általános áttekintés és a szomatoszenzórium
A szenzoros működések általános jellemzői
A szomatoszenzoros rendszer
35. fejezet - Szenzoros működések II.: látás
A szem optikai rendszere
A fotoreceptorok működése és a fényingerek feldolgozása a retinában
A látási ingerek központi feldolgozása
Színlátás: perifériás és centrális mechanizmusok
A látáshoz kapcsolódó motoros funkciók
36. fejezet - Szenzoros működések III.: hallás és egynsúlyozás
A hallórendszer
A vestibularis érzékszerv
37. fejezet - Szenzoros működések IV: kémiai érzékelés (szaglás és ízérzés)
Szagérzékelés
Izérzékelés
38. fejezet - Az idegrendszer szomatomotoros működése
Az α-motoneuronok és a motoros egység
A szomatomotoros működés proprioceptiv ellenőrzése
A szomatomotoros működés spinalis szerveződése: a reflexműködés alapjai
A testtartás szabályozása
A szomatomotoros működés agykérgi szervezése és az akaratlagos mozgások
A kisagy működése
A bazális ganglionok működése
39. fejezet - A szervezet energetikai, víz- és hőhomeosztázisának szabályozása; cirkadián ritmus
Az energiamérleg és táplálékfelvétel szabályozása (energiahomeosztázis)
A vízforgalom és szabályozása
A testhőmérséklet szabályozása
Cirkadián ritmus
40.fejezet - Az emocionális reakciók központi idegrendszeri szervezése
A készenléti („vész”-) reakció (Cannon „fight or flight” reakciója)
Az amygdala szerepe az emocionális reakciókban
Az agy „jutalmazási” (reward) rendszere
Hangulat, kedélyállapot
41. fejezet - Az idegrendszer alvási és ébrenléti működési mintázata
Alvási stádiumok
A kérgi működés váltakozásáért felelős kéreg alatti struktúrák
42. fejezet - A kognitív működések szerveződése
Asszociációs areák és a féltekék együttműködése
A beszéd idegrendszeri szervezése
Az idegrendszer plaszticitása: tanulás és memória

33. fejezet - Az idegrendszeri működések megismerésének útjai

Az evolúció csúcsteljesítménye a neuronok és kapcsolataik révén működő idegrendszer kifejlődése. A neuronokból felépített idegrendszer veszi fel a belső és a külső ingereket, értékeli azokat, válaszreakciókat hoz létre, és képes az „emlékek” tárolására is.

Az idegrendszer működését elsőként nem természettudósok vagy orvosok, hanem filozófusok közelítették meg. A legalapvetőbb idegrendszeri működés minden fejlődési szinten a reflex: ez legegyszerűbb formájában valamely idegi felvevőkészüléket (szenzoros receptort) ért ingerre adott sztereotip válaszreakció, nagyon gyakran valamely mozgás. A reflexműködést a francia filozófus, René Descartes (1596–1650) ismerte fel. A szenzoros működések megértésében a kiindulópontot szintén egy filozófus, az angol David Hume (1711–1776) alapvető tétele jelentette: Hume szerint a tudat tartalma csakis az érzékszervek által felvett információkból származhat. Korszerűbb kifejezéssel ezt úgy fogalmazhatnánk, hogy az idegrendszer információtartalma csak az információs bemenetből jöhet létre.

A reflexek, a motoros, továbbá a szenzoros működések csak a 19. század elején kerültek a természettudomány látókörébe. A szellemi (kognitív) működések és az agy kapcsolatának filozófiailag is alapvetően fontos problematikáját („mind-brain problem”) elsőként orvosok közelítették meg, akik valamilyen sérülést szenvedett betegeik viselkedésváltozásaiból következtettek a sérült agyrész szerepére.

A központi idegrendszer működéséről vallott jelenlegi elképzelésünk abból indul ki, hogy az egyes specializált működések meghatározott központi idegrendszeri struktúrák tevékenységéhez kötődnek. A megismerés kezdetén ugyan egy-egy funkciót egy-egy viszonylag körülhatárolt idegrendszeri területre lokalizáltak, de az a későbbiekben felismert tény, hogy a funkcióban egyes területek kooperációja szerepel, az alaptételen nem változtatott.

Az idegtudomány (angol kifejezéssel neuroscience, amely magában foglalja a neuroanatómiát, neurofiziológiát, pszichofiziológiát, a neuronok genetikáját, a neuroembriológiát, a neurokémiát és a neurofarmakológiát) 20. századbeli fejlődését némiképpen az 1900–2004 között ebben a tárgykörben odaítélt Nobel-díjak illusztrálják (33-1. táblázat). Szem előtt kell tartanunk, hogy bármekkora is a Nobel-díj tekintélye, nem minden esetben jutalmaztak vele maradandó értékű felfedezést, továbbá több alapvető felfedezést nem részesítettek elismerésben. A díjazottak munkássága azonban jó tájékoztatást ad azokról a főbb irányokról, amelyek az elmúlt több mint 100 év folyamán egy-egy adott periódusban jelentősek voltak.

10.1. táblázat - 33-1. táblázat . Az idegtudomány tárgykörében odaítélt Nobel-díjak 1900–2004 között

Az odaítélés éve, a díjazott(ak)

Indoklás

1906:

Camillo GOLGI és

Santiago RAMON Y CAJAL

Az idegrendszer szerkezetére vonatkozó munkásságukért

1914:

Robert BÁRÁNY

A vestibularis apparátus fiziológiájára és patológiájára vonatkozó munkásságáért

1932:

Charles Scott SHERRINGTON és

Edgar Douglas ADRIAN

A neuronok funkcióira vonatkozó felfedezéseikért

1936:

Henry Hallett DALE és

Otto LOEWI

Az idegimpulzusok kémai áttevődésére vonatkozó felfedezéseikért

1944:

Joseph ERLANGER és

Herbert Spencer GASSER

Az egyes idegrostok magasan differenciált funkcióira vonatkozó felfedezéseikért

1949:

Walter Rudolf HESS

Antonio Caetano de Abreu Freire EGAS MONIZ

A diencephalon mint a belső szervek működéskoordinátora funkcionális szerveződésének feltárásáért

A leukotomia terápiás értékének felfedezéséért egyes pszichózisokban

1963:

John Carew ECCLES

Alan Lloyd HODGKIN és

Andrew Fielding HUXLEY

Az idegsejtmembránok perifériás és központi szakaszain fellépő ionális mechanizmusok szerepének felfedezéséért az excitációs és gátlási folyamatokban

1967:

Ragnar GRANIT

Haldan Keffer HARTLINE és

George WALD

A szem látási mechanizmusaiban szereplő primer fiziológiai és kémiai folyamatok felismeréséért

1970:

Bernard KATZ

Ulf von EULER és

Julius AXELROD

Azokért a felfedezésekért, amelyeket az idegvégződésekben lévő humorális transzmitterekkel, azok tárolásával, felszabadulásával és inaktiválásával kapcsolatosan tettek

1981:

Roger W. SPERRY

David H. HUBEL és

Torsten N. WIESEL

Az agyféltekék funkcionális specializációjára vonatkozó felfedezéseiért

A látórendszer információfeldolgozására vonatkozó felfedezéseikért

2000:

Arvid CARLSSON,

Paul GREENGARD és

Eric KANDEL

Az idegrendszeri jelátvitelre vonatkozó felfedezéseikért

2004:

Richard AXEL és

Linda B. BUCK

A szaglóreceptorokra és a szaglórendszer szervezésére vonatkozó felfedezéseikért


Az idegrendszer kutatásában alkalmazott képalkotó eljárások (in vivo anatómia)

Az agy in vivo anatómiáját, az egyes betegek agyában kialakult makroszkópos elváltozásokat ma két képalkotó eljárással követhetjük: az egyik a számítógéppel segített tomográfia (computer assisted tomography, CT vagy CAT), a másik a mágneses rezonancia képalkotás (magnetic resonance imaging, MRI); ma mindkettő nélkülözhetlen eszköze a diagnosztikának, és ezzel együtt a funkciók lokalizációjának. Az MRI jobb felbontást szolgáltat: jelenleg leginkább alkalmazott alakjában az erős elektromágneses tér protonokat gerjeszt, amelyek alacsonyabb energiaszintre való visszatérésükkor jelet (protonrelaxáció) adnak. A műszer nagy teljesítményű számítógéphez csatlakozik, amely az intracranialis struktúrákról, beleértve a koponyán belüli folyadéktereket, térben nagy felbontású és pontos háromdimenziós képet alakít ki. (33-1. ábra). [A módszer elméleti alapjai megtalálhatók Damjanovich-Fidy-Szőllősi „Orvosi Biofizika” c. egyetemi tankönyvében (Medicina, Budapest, 2006)]. Elsősorban ezzel a technikával vált lehetségessé az agyi laesiók helyének in vivo lokalizációja és a csatlakozó működési hibákkal való összevetése, amire előzőleg csak post mortem, a boncasztalon nyílt lehetőség.

33-1. ábra . A post mortem és az in vivo nyert képek összehasonlítása . A) Medialis néz. B) Az agy in vivo medialis MRI-ábrázolása

Az éppen aktív területek kimutatása képalkotó eljárásokkal

Az aktuálisan aktív területek kimutatásának alapja a lokálisan jelentkező véráramlás-, valamint anyagcsere-fokozódás detektálása. A módszerek nem invazívak, és egészséges vagy beteg embereken lényegében kockázat nélkül alkalmazhatók.

A funkcionális mágneses rezonancia képalkotás (fMRI, ne tévesszük össze az előzőleg leírt MRI-vel) során a gerjesztő elektromágneses hullámok paramétereit úgy állítják be, hogy az erekben lévő oxihemoglobin/deoxihemoglobin arány határozza meg a kapott jelet. Minthogy az aktív területen az erek tágulása nagyobb mértékű, mint az oxigénfelhasználás (l. a 13. fejezetet), az arány változása detektálható, és pontosan jelzi az aktuálisan aktív területeket. Az fMRI időbeli felbontása 4-8 másodperc között van, térbeli felbontása pedig néhány mm.

A pozitronemissziós tomográfia (PET) során pozitronsugárzó izotóppal jelzett radioaktív anyagot (pl. jelzett glukózt vagy dezoxiglukózt) juttatnak a keringésbe, és ennek lokális koncentrációváltozását használják a neuronműködés indikátorának. A pozitronsugárzó atomot a testen kívül megsemmisülési sugárzása alapján detektálják, és számítástechnikai módszerekkel (itt is nagy teljesítményű számítógépeket alkalmaznak) a sugárzásszintet agyi „aktivitási térképpé” alakítják.

Az idegrendszeri működés követése az elektromos jelek alapján

Az agyműködés megismerésében jelentős szerep jutott a működést kísérő elektromos jelek felfedezésének; az elektroencefalográfia (EEG), a magnetoencefalográfia (MEG) és a kiváltott potenciálok vizsgálata mára a kutatás és a klinikai diagnosztika nélkülözhetetlen része.

Az elektrokardiográfiának a 20. század elején történt kifejlesztése után elméletileg lehetségesnek tűnt, hogy a neuronalis aktivitás elektromos jeleit a koponya felszínéről is elvezessék. Ez azonban nehezebb feladatnak bizonyult, mint az elektrokardiográfia megvalósítása: az EEG-jelek a μV-os tartományba esnek, míg az EKG-jelek mV-os nagyságrendűek. További jelentős különbség, hogy az EKG-jelek egy 300 grammos szerv sejtjeinek szinkronizált potenciálingadozásai, az agyban viszont sokkal kisebb areák elektromos aktivitása jelenik meg. Mindezen nehézségek ellenére az 1920-as évek kezdetén az emberi koponya felszínéről elektroencefalogramot sikerült elvezetni. A feltárt agy felszínéről elvezetett elektromos potenciálváltozásokat elektrocorticogrammnak nevezzük, emberen ezt csak kivételesen, agyműtétek alkalmával regisztrálják.

A klinikai célokra végzett EEG-vizsgálatokban két elvezetési módot alkalmaznak. Az unipoláris elvezetésekben a koponya felszínén elhelyezett elvezető elektródok és az ezektől távolabb (pl. a fülcimpán) elhelyezett indifferens elektród közötti potenciálváltozásokat regisztrálják. A bipoláris elvezetési móddal két corticalis régió közötti potenciálváltozásokat követik. A klinikai gyakorlatban, a standard PENFIELD–JASPER-elektródelhelyezést használják (33-2. ábra), és a potenciálváltozásokat többcsatornás elektroencefalográf segítségével szimultán regisztrálják.

33-2. ábra. Standard EEG-elektród-elhelyezés (10/20-rendszer)

Az EEG-hullámok keletkezése

A különböző típusú corticalis neuronok – közöttük a piramissejtek, kosársejtek és csillagsejtek – corticalis rétegekbe szerveződött eloszlása alapján K. Brodmann az agykérget 52 citoarchitektoniai mezőre (Brodmann-féle mezők vagy areák) osztotta fel (33-3. ábra). A piramissejtek sejttestjei a 3-as, 4-es és 5-ös rétegekben helyezkednek el. (Az agykéreg részletes szerkezetét, a sejteket és összeköttetéseiket illetően a neuroanatómiai és neurohisztológiai tankönyvekre utalunk.)

Az EEG-hullámok keletkezésének megértéséhez az agykérget alkotó neuronokat egyszerűsítve piramissejtekreés nem piramissejtekre osztjuk fel. A piramissejtek dendritjei a felszínre merőlegesen rendezettek, felnyúlnak az 1-es és 2-es rétegbe. Ezekben a rétegekben végződnek ingerlő synapsisokkal a thalamus nem specifikus magjaiból származó axonok; a specifikus thalamusmagokból származó axonok a 3-as és 4-es rétegekben adnak synapsist. (Gátló synapsisok főként a sejttesteken találhatók.)

A piramissejtek és apicalis dendritjeik rendezett elhelyezkedése az alapja az elektroencefalogram létrejöttének. Az EEG hullámait a piramissejtek apicalis dendritjeinek postsynapticus potenciáljai generálják, amelyeket a hozzájuk futó afferensek ingerületei váltanak ki. A postsynapticus membránon beáramló pozitív ionok elektromosan negatív „elfolyás”-t, (angolul sink) képeznek. Ezáltal az ingerelt piramissejtek elektromos dipólusként viselkednek: az áram a mélyebben fekvő pozitív „forrás” (angolul source, anatómiailag a perikaryon) felől a dendritek felé folyik (33-4. ábra). Az extracelluláris áramok aránylag kis ellenállású folyadékon keresztül folynak: a forrás és az elfolyás között aránylag kicsiny, μV nagyságrendű feszültségkülönbség keletkezik, ami térpotenciálok formájában terjed a környező szövetekre. Ezt a kicsiny feszültségkülönbséget regisztrálja a fejbőrön keresztül az elektroencefalográf. (Emlékezzünk rá, hogy az intracellulárisan regisztrált membránpotenciálok mV-os nagyságrendűek.)

Alapvető fontosságú, hogy az EEG-n csak azok a dipólusok jelennek meg, amelyek a koponya görbületére merőlegesek. Ez annyit jelent, hogy csak a koponya érintőjére merőleges orientációjú piramissejtek szerepelnek az EEG keletkezésében. Ilyen helyzetű piramissejtek csak a gyrusok konvexitasán találhatók. A sulcusokban fekvő piramissejtek aktivitása nem jelentkezik az EEG-n, mivel ezek dendritjei a koponya felszínével párhuzamos lefutásúak. Az EEG számára „látható” területek „láthatatlan” területekkel váltakoznak, amely utóbbiak azonban a magnetoencefalogramon jelentkeznek (33-5. ábra, l. alább).

Az előzőkből érzékelhető, hogy agykérgi akciós potenciálok nem szerepelnek az EEG-görbe keletkezésében.

33-3. ábra . Az agykéreg citoarchitektoniai mezői Brodmann szerint (lateralis nézet) . Az ábrán csak azokat az areákat jelöltük számmal, amelyekre gyakran hivatkozunk az egyes fejezetekben

33-4. ábra . Az agykérgi dipólus keletkezése: „forrás” (source) és „elfolyás” (sink) . Rockstroh B. és mtsai (1982): Slow Brain Potentials and Behavior. Urban & Schwarzenberg, Baltimore, MD alapján

33-5. ábra . Az EEG- és a MEG-jelek keletkezési helye

A potenciálváltozások szinkronizációja

A piramissejt átmérője a milliméter törtrésze, a felette elhelyezkedő EEG-elektródé pedig több milliméter. Az EEG-elektród nagyszámú piramissejt elektromos aktivitását érzékeli („látja”), a felvett elektromos jelek sok ezer dendrit postsynapticus potenciáljait összegezik. Ha az afferens impulzusok rendezetlenül, sztochasztikus összevisszaságban hoznák létre a postsynapticus potenciálokat, a sok ezer különböző időzítésű postsynapticus potenciál kioltaná egymást, az EEG-n nem jelentkeznének hullámok (más kifejezéssel az EEG izoelektromos lenne). Az EEG pozitív-negatív hullámainak kialakulása során nagyszámú agykérgi piramissejtben a dendritek potenciáljai szinkronizálódnak (azonos fázisba kerülnek). A szinkronizálásért főként a thalamus felelős; ennek részleteit a 41. fejezetben ismertetjük. Ha a thalamus és a cortex közötti összeköttetés megszűnik, azon a területen a cortex addigi szinkronizációja eltűnik. A subcorticalis szinkronizálás mellett a kéreg saját neuronhálózatai is képesek szinkronizálni a kérgi aktivitást.

Az EEG-hullámok osztályozása

A különböző elvezetésekben egyidejűleg regisztrált EEG-hullámok ránézésre is különböznek (33-6. ábra). Az EEG-hullámokat egyrészt frekvenciájuk (Hz), másrészt μV-ban kifejezett amplitúdójuk alapján osztályozzuk. A nagyobb amplitúdójú hullámok egyszerűen nagyobb mértékű szinkronizációt jelentenek.

A hullámok egyik alaptípusa az alfa-hullám; ezek frekvenciája 8–13 Hz között van (alfa-ritmus, amit az EEG felfedezőjéről, Hans Bergerről Berger-ritmusként is említenek). Ez az EEG-hullám-sorozat – főként az occipitalis régióban – éber állapotban, de teljes szellemi nyugalomban, vizuális ingerektől mentesen (csukott szemmel) regisztrálható. Ha a vizsgált személy kinyitja a szemét vagy figyel (pl. csukott szemmmel számolási feladatot old meg), az alfa-ritmus új mintázatra vált, amelynek frekvenciája nagyobb, 13 Hz feletti, amplitúdója kisebb, ez a béta-ritmus. Az alfa-ritmusból a béta-ritmusba való átmenet az EEG deszinkronizációja vagy alfa-blokád néven ismeretes.

Modern technikákkal lehetséges a 30–80 Hz frekvenciatartományba eső (átlagosan 40 Hz) hullámok regisztrálása is, amelyeket gamma-hullámként említenek. Ezt a ritmust lehet rendkívül intenzíven koncentráló állapotban (emberben és állatban egyaránt) észlelni.

Az EEG többi, normálisan csak alvás alatt jelentkező hullámával, a théta- és delta-hullámokkal az alvással kapcsolatosan a 41. fejezetben foglalkozunk.

Egészséges emberek elektroencefalogramja még standardizált körülmények között is rendkívül egyéni.

33-6. ábra . Normális emberi elektroencephalogram . A) Jobb és bal oldali unipoláris elvezetés. Csukott szemmel alfa-hullámok sorozata látszik (alfa-ritmus). A szem kinyitásakor az alfa-hullámok béta-hullámoknak adnak helyet (deszinkronizáció, más elnevezéssel alfa-blokád). A szemek lehunyására visszatér az alfa-ritmus. B) Szimultán felvett unipoláris frontalis, temporalis és occipitalis EEG-elvezetés. A frontalis elvezetésben a béta-hullámok dominálnak, az alfa-hullámok csak a temporalis és az occipitalis elvezetésekben jelennek meg (a vizsgált személy szeme csukva volt).

Számítógépes frekvenciaanalízis

Az EEG értékelését nemcsak vizuálisan, hanem számítógépes frekvenciaanalízissel is végzik. A potenciálváltozások időfüggvények, és az egyes hullámok különböző frekvenciák egymásra vetüléséből adódnak össze. Az analóg potenciálváltozásokat az erősítőből közvetlenül egy elektronikus adatfeldolgozóba vezetik (analóg-digitális konverzió), majd Fourier-analízisnek vetik alá. A matematikai analízis frekvenciaspektrumot eredményez, jelzi, hogy az egyes frekvenciák mekkora hányadot képviselnek az EEG-ben.

Az EEG-vizsgálat szerepe a diagnosztikában és az „agyhalál” megállapításában

Az EEG nélkülözhetetlen eszköze a neurofiziológiai és pszichofiziológiai kutatásoknak. Alvásélettani jelentőségével a 41. fejezetben foglalkozunk. Ezenkívül az EEG-vizsgálat egyes központi idegrendszeri betegségek diagnosztikájában is alapvető jelentőségű. A különböző eredetű görcsös állapotokat csak a rájuk jellemző EEG-hullámok alapján lehet elkülöníteni.

Súlyos agyi sérülést szenvedett betegekben, akikben az egyes életfunkciókat, elsősorban a légzést, mesterségesen tartják fent, törvényben szabályozott szigorú kritériumok alapján elvégzett és értékelt EEG-vizsgálat dönti el, hogy agyműködésük sérülése irreverzíbilis-e, azaz az „agyhalál” bekövetkezett-e. Az agyhalál jogszabályban rögzített egyik kritériuma az izoelektromos EEG, amelyet meghatározott körülmények között, maximális erősítés mellett (2,5 μV/mm) kell regisztrálni.

Az agykéregről elvezethető kiváltott potenciálok

Az elektroencefalogram egy adott állapotra (teljes nyugalom, figyelés, koncentrálás, alvás stb.) jellemző frekvenciájú potenciálváltozások sorozatának fogható fel. Laboratóriumi körülmények között valamely „esemény” (pl. motoros parancs vagy szenzoros inger) a folyamatos (tónusos jellegű) EEG-ritmusban egyszeri, fázisos jellegű potenciálváltozást eredményez: ezt eseményfüggő potenciálváltozásnak (angolul event-related potential, rövidítése ERP) nevezzük. Szenzoros receptorok vagy a belőlük kiinduló axonok ingerlését követően a bekövetkező potenciálváltozás a kiváltott potenciál (angolul evoked potential, rövidítése EP).

A kiváltott agykérgi potenciálok amplitúdója a tónusos EEG-hullámokkal azonos nagyságrendű, ezért a kiváltott potenciálokat nehéz vizuálisan kiemelni az éppen futó ritmus hátteréből, ez csak átlagolási módszerek segítségével lehetséges. Ha a potenciálok kiváltására alkalmazott külső ingert (mechanikus bőringerlés, fény- vagy hanginger stb.) szabályos időközökben alkalmazzuk, és az elektromos aktivitást eközben számítógéppel átlagoljuk, akkor az EEG véletlenszerűen megjelenő egyes hullámai kiegyenlítik egymást („elsimulnak”), a szabályos időközökben külső ingerrel kiváltott potenciálok kiemelkednek az elsimult háttérből.

A kiváltott potenciálok első hulláma a szenzoros bemenet primer kérgi reprezentációja felett kb. 10 μV amplitúdójú pozitív hullám formájában, 10 ms késéssel jelenik meg. Ez a primer kiváltott potenciál. Valamivel hosszabb latencia után jelenik meg a szekunder kiváltott potenciál, amely a szekunder és tercier szenzoros area felett regisztrálható.

A kiváltott potenciálok keletkezési mechanizmusa hasonló, mint az EEG-hullámoké: az apicalis dendritek postsynapticus potenciáljai összegeződnek.

A kiváltott potenciálok követése fontos része a szenzoros fiziológia módszertanának és a pszichofiziológiának. A diagnosztikában felhasználható a szenzoros működések csökkenésének objektív kimutatására, különösen olyan betegek esetében, akik nem képesek a vizsgálat során kooperációra (pl. audiometriai vizsgálat csecsemőkorban).

Szenzoros kéregterületek mikroelektródos vizsgálata kísérleti körülmények között

A vizuális ingerekhez kapcsolódó elektromos kérgi válaszokat nemcsak a kiváltott potenciálok makroelektródos regisztrálásával lehet követni, hanem a különböző vizuális ingerekhez kapcsolódó elektromos válaszokat a kéregben – kísérleti állatokban – mikroelektródok segítségével sejtszinten is lehet elemezni. A primer látókéreg (V1) működésére vonatkozó eredményeket a könyv 35. fejezetében foglaljuk össze: az ott leírt paradigma máig alapjában határozza meg az érzékszervi működésekről alkotott elképzeléseinket.

A magnetoencefalográfia (MEG)

Az agyi elektromos potenciálváltozások mágneses térerőváltozásokat gerjesztenek, amelyeket a koponyán kívül elhelyezett megfelelő detektorokkal lehet regisztrálni: ezen alapul a magnetoencefalográfia (MEG). Ez a módszer – akárcsak az EEG – az agyi aktivitás térbeli eloszlását az idő függvényében ábrázolja.

A mágneses térerőváltozások regisztrálását jelentősen elősegítette a folyékony hélium hőmérsékletén szupravezetővé vált SQUID-detektor (superconducting quantum interference device magnetometer) felfedezése. A jelenleg még elsősorban kutatási célra használt műszerekben a koponya körül elhelyezett SQUID-szenzorok egyszerre legalább 100 ponton érzékelik a mágneses változásokat. A módszer időbeli felbontásamilliszekundumos nagyságrendű, térbeli felbontása azonban lényegesen meghaladja az EEG felbontását, minthogy a koponya nem gyengíti a mágneses teret.

Bár a MEG jeleit ugyanolyan postsynapticus potenciálok hozzák létre, mint az EEG-hullámokat, a jelek keletkezési helye különbözik. Amint említettük, az EEG-hullámokat a koponyafelszín érintőjére merőleges orientációjú piramissejt-dendritek synapticus aktivitása eredményezi, az ettől eltérő orientációjú piramissejtek dendritjei az EEG szempontjából „láthatatlanok”. Ezzel szemben a sulcusokban helyet foglaló, a koponya érintőjével párhuzamos dendritorientációjú piramissejtek elektromos erőterének változásai jól detektálható mágneses erőtérváltozásokat hoznak létre; a MEG jeleit a sulcusokban helyet foglaló piramissejt-dendritek potenciálváltozásai okozzák. Más szavakkal, a gyrusok konvexitásán lévő piramissejtek aktivitása az EEG hullámaiban, a sulcusokban lévőké pedig a MEG jeleiben nyilvánul meg (l. a 33-5. ábrát).

Magnetoencefalogramon nyomon követhetők a corticalis ritmusok. A figyelmi koncentráció fő indikátorát, a 40 Hz frekvenciájú gamma-ritmust elsősorban a MEG-jelek alapján lehet észlelni. A MEG-technikát sikerrel alkalmazzák a szenzoros rendszer feltérképezésére. Intakt koponya mellett is pontosan lehet követni a retina projekcióját az occipitalis kéregben, továbbá az egyes hangok tonotop reprezentációját a primer hallókéregben; a szomatoszenzoros cortex olyan részeit lehet funkcionálisan azonosítani, amelyeket a mélyebb elhelyezkedés miatt korábban nem lehetett vizsgálni.

Az egyes idegrendszeri működések lokalizálhatósága

Az idegrendszeri működések megértésében alapvető volt annak a paradigmának a felismerése, hogy egyes diszkrét működések lokalizálhatóak az idegrendszeren belül. [Érdekes módon a ma is érvényes paradigmát a 19. század elején teljesen spekulatív alapon vetette fel a neuroanatómus Franz Joseph Gall, aki szerint az egyes mentális („szellemi”) működések a központi idegrendszer különböző részeinek működését tükrözik. Korai meglátását abban az időben semmilyen tudományos megfigyelés nem támasztotta alá, és követői, a „phrenologusok” egy sereg hibás következtetésre jutottak.] A legelső konkrét, kísérletes alapon nyugvó felismerések a motoros működésekre vonatkoztak, majd a 19. század közepétől sokasodtak az adatok a legkülönbözőbb szenzoros, autonóm és „szellemi” működések lokalizációjára vonatkozóan is.

Központi idegrendszeri sérülések és műtéti beavatkozások következményei

A kísérletes neurofiziológiai kutatások elsőként alkalmazott módszere a központi idegrendszer meghatározott területeinek sebészi eltávolítása és az azt követő – elsősorban szomatomotoros – tünetek elemzése volt kísérleti állatokban. Ez a módszer vezetett a kisagy szerepének felismeréséhez. Utólag látni lehet, hogy az ebből származó információ csak annyi, hogy a kisagy hiányában milyen működések sérülnek, de a kisagy működési mechanizmusára vonatkozóan nem szolgáltat adatot. A kisagy szerepének részleteire vonatkozó tudásunkat az első világháborúban szenvedett – elsősorban lövési – sérüléseket követő mozgási defektusok alapozták meg (l. a 38. fejezetet).

Sérülések

A sérüléseket követő idegrendszeri következmények betekintést engedtek azoknak a területeknek a szerepébe, amelyek sokkal összetettebb működéseket szerveznek. A legelső ilyen dokumentált esetben egy véletlen robbanás és a frontalis agyrészek súlyos roncsolása lényeges személyiségváltozást hozott létre, és ez volt az első indikátora annak, hogy a frontalis kéreg a magatartás esszenciális szabályozója (l. a 42. fejezetet).

További áttörést jelentett Pierre Paul Broca, majd valamivel később Karl Wernicke neurológusok munkássága, akik betege nmi – stroke következtében – elvesztették beszédkészségüket, és különböző típusú beszédzavarban, aphasiában szenvedtek (l. a 42. fejezetet). Mindkét neurológusnak módja volt a bekövetkezett halál után megvizsgálni a betegek agyát, és a talált sérülés helyét összevetni az aphasia típusával. Azt találták, hogy a beszéd képessége a központi idegrendszer meghatározott régióiban lokalizált, és a különböző típusú aphasiákban a sérülés helye különbözött. Ez volt a kiindulópontja a mentális és a kognitív működések lokalizációjának, és ezzel megnyílt az út a modern kognitív pszichológia felé is.

Több mint 150 éven keresztül a különböző funkciókért felelő központi idegrendszeri „centrumok” azonosításának egyetlen módja a klinikai tünetek és a bonctermi megállapítások összevetése volt (post mortem diagnosztika). Az előzőekben ismertetett modern képalkotó eljárások lehetővé tették a sérülések in vivo azonosítását, és ezzel a sérült agyi terület funkcionális szerepének felderítését.

Tervezett központi idegrendszeri beavatkozások szerepe a működés megismerésében

Néhány alapvető idegtudományi felfedezést annak köszönhetünk, hogy egyes, nagyon súlyos idegrendszeri betegségekben – elsősorban általánosuló és ismétlődő epileptikus görcsrohamokban – a sebészek ultima ratióként megkísérelték a görcsrohamok keletkezésének területét, valamint terjedésének útját kiiktatni. (Ezen beavatkozások idejében a 20. század közepén még nem álltak rendelkezésre igazán hatásos epilepsziagyógyszerek, mára a sebészi beavatkozások háttérbe szorultak.) A műtétek azonban a kívánt antiepileptogén következményen kívül jelentősen befolyásolták az epilepsziától megszabadított betegek egyes idegrendszeri működéseit, és minthogy a beavatkozással érintett terület(ek) ismert(ek) volt(ak), ezek működésére nagy biztonsággal lehet(ett) következtetni. Ezekben a megfigyelésekben alapvető jelentősége volt annak, hogy a sebészek olyan pszichológusokkal dolgoztak együtt, akiknek nagy tapasztalatuk volt a kognitív pszichológia módszertanában. Ilyen vizsgálatok vezettek el a két félteke eltérő működésének, továbbá az emberi emlékezetben szereplő középső temporalis lebeny szerepének felismeréséhez (l. a 42. fejezetet).

Funkciólokalizáció elektromos ingerlés segítségével

Az idegrendszeri funkciólokalizációban alapvető volt az egyes területek mesterséges ingerlésével kiváltott válaszok analízise. Ingerként elektromos áramimpulzusokat, továbbá lokálisan applikált kémiai anyagokat – természetes neurotranszmittereket, analógjaikat vagy receptorgátló farmakonokat – lehet alkalmazni.

Az emberi agykéreg elektromos ingerlése

Az elektromos ingerlés módszerét a 19. század második felében állatkísérletekben alkalmazták először, majd – az állatkísérletekben nyert tapasztalatok alapján – a 20. század közepétől egyes agyműtéteknél a szabaddá tett agykéreg elektromos ingerlése fontos ellenőrző szerepet kapott, és segítségével nem narkotizált betegen lehetővé vált a funkciólokalizáció (l. a 34-3. és 38-10. ábrákat.). A szomatomotoros kéreg (Brodmann 4-es area) elektromos ingerlésével lokalizálni lehetett az egyes izmok agykérgi reprezentációját (l. a 38. fejezetet); ezzel nemcsak igazolni lehetett a szubhumán fajokban már megállapított lokalizációt, de a sebész számára is fontos támpontot nyújtott a beavatkozáshoz. A szomatoszenzoros kéreg (Brodmann 1-es area) elektromos ingerlésére a beteg jelezte, hogy mely bőrterületen lép fel valamilyen érzet (l. a 34. fejezetet).

Kéreg alatti magcsoportok elektromos ingerlésének következményei

Mind az autonóm működések, mind az autonóm idegrendszeri kísérőjelenségekkel is járó emocionális reakciók analízisében meghatározó volt a célzott subcorticalis elektromos ingerlés módszerének bevezetése. Kezdeti lépésként narkotizált kísérleti állatok „megcélzott” magcsoportjainak elektromos ingerlésével váltottak ki autonóm reakciókat (pl. keringési, légzési, gyomor-bél rendszeri működésváltozás). A későbbiekben dolgozták ki azokat a technikákat, amelyek segítségével előzetes műtéti beavatkozással elektródokat implantáltak a központi idegrendszer meghatározott területeire, majd a teljes gyógyulást követően ingerelve, az öntudatánál lévő állat autonóm, továbbá viselkedési reakcióit vizsgálták. A kezdeti vizsgálatok elsődleges célpontja a hypothalamus feltérképezése volt (l. a 39. fejezetet), majd a 20. század utolsó negyedében terelődött a figyelem a hypothalamust körülvevő, ún. limbicus struktúrák, elsősorban az amygdala működésére (l. a 40. fejezetet). (Az elektromos ingerlésnél alkalmazott műtéti technikákat az elektronika fejlődésével alkalmazták a vizsgált terület elektromos aktivitásának vizsgálatára.)

Idegrendszeri projekciók (pályák) térképezése

Az idegrendszeri működések egyik alapja az eltérő elhelyezkedésű neuronok összeköttetése: a távol eső neuronok közötti összeköttetéseket idegrendszeri pályáknak (projekciók) nevezzük. Az idegtudomány kialakulásakor ezeket az összeköttetéseket fénymikroszkópos módszerekkel, a szövettani kép alapján derítették fel. Haladást jelentett a pályák kísérletes sértése (vagy kivételesen a sérüléseket követő post mortem vizsgálat): a sejttesttől elválasztott axon degenerálódik, a degeneráció szövettanilag követhető. Még későbben sikerült a pályákat különböző anyagok bejuttatásával (vírusok, tormaperoxidáz) megjelölni. A pályákról kialakult nézeteink nagy részben ezen módszerek alkalmazásával alakultak ki.

Toponeurokémia

Neurotranszmitterek jelenlétét és az idegtevékenységgel kapcsolatos felszabadulását először a 20. század első harmadában az autonóm idegrendszerhez tartozó neuronok perifériás végkészülékeiben mutatták ki (l. a 6. fejezetet). Közel fél évszázadnak kellett eltelnie, amíg a központi idegrendszert a kémiai neurotranszmisszió szerint elkezdték feltérképezni. A legegyszerűbb esetben magát a neurotranszmittert vagy a szintézisében/lebontásában szereplő enzimet lehet hisztokémiai vagy immuncitokémiai reakció alapján lokalizálni: ez vezetett sikerre a kolinerg, a noradrenerg/adrenerg, valamint a GABA-erg projekciók esetében. (Kolinerg rendszerek jellemezhetők vagy az idegvégződésekben a kolin-acetiltranszferáz, vagy a kolinerg synapsisban az acetil-kolin-észteráz, GABA-erg rendszerek a glutaminsav-dekarboxiláz kimutatásával.) Immunhisztokémiai reakciókkal lehet megtalálni az idegsejtekben a legkülönbözőbb neuropeptideket, továbbá a peptidszintézisben szereplő mRNS-t (csak példaként említjük a POMC-peptideket, az AVP-t, az orexint). A kutatások során kiderült, hogy az anatómiailag azonosítható pályák neurokémiai vizsgálatokkal elkülöníthető, meghatározott funkciójú pályákra bonthatók fel. Ezeken túlmenően az idegsejteken megtalálható neurotranszmitterreceptor izoformák ma a legjelentősebb bizonyítékai az egyes projekcióknak: ezek alapján olyan pályák is kimutathatók, amelyekben a neurotranszmitter szerepe jelenléte alapján nem igazolható, minthogy a leggyakoribb neurotranszmitter, a glutamát, továbbá a glicin, a purinnukleotidok ubikviter sejtalkatrészek.

Valamely neurotranszmitterrel már jellemzett pálya fiziológiai szerepét azonban elsősorban a transzmitter (vagy specifikus agonista vegyület) mikroinjekciójának hatása alapján lehet ma igazolni (hasonló bizonyító ereje van az egyes specifikus receptorgátló anyagok lokális mikroinfúziójának). Így térképezték fel pl. a táplálékfelvétel szabályozásában szereplő egyes pályákat (l. a 39. fejezetet), továbbá az alvási-ébrenléti ciklusok szabályozásának projekcióit (l. a 41. fejezetet). Bizonyos emberi megbetegedések hátterében genetikai defektus áll, aminek lokális manifesztációját ki lehet mutatni További támpontot jelenthetnek – kísérleti állatok esetében – a célzott genetikai manipulációk (géntörlést követő állapot); egyes esetekben spontán genetikai mutációk analízise segíthet a projekció szerepének azonosításában (pl. a 41. fejezetben említett narcolepsiás állapotban).

Mérföldkövek

1824: P. Flourens eltávolítja galambok cerebellumát (sebészi szempontból egyszerű beavatkozás), és megfigyeli a mozgások koordinációjának műtét utáni zavarait.

1848: J. M. Harlow, a helyi orvos ismerteti a vasúti előmunkás, Phineas Gage esetét, akinek előagyában a koponyájába hatolt vasrúd súlyos baleseti sérülést okozott (Passage of an iron rod through the head. Boston Med. Surg. J. 39, 389-393.). A baleset előtt Gage megbízható és szorgalmas ember volt. A baleset teljesen megváltoztatta a személyiségét, megbízhatatlan alkoholistává, és végül hajléktalanná vált. Ez volt az első jele, hogy az agy frontalis lebenye (ill. ahogyan ma tudjuk, a praefrontalis area) szerepet játszik a személyiségben. Másfél évszázaddal később H. Damasio és munkatársai Gage meglévő koponyája bemeneti és kimeneti nyílásából számítógépes rekonstrukcióval megállapították az agysérülés helyét, és megerősítették, hogy a praefrontalis kéreg szenvedett sérülést (The return of Phineas Gage: clues about the brain from the skull of a famous patient. Science, 264, 1102–1105, 1994).

1857: Richard Caton kísérleti állatok feltárt agykérgének felszínéről potenciálingadozásokat vezet el.

1861-ban Pierre Paul Broca, 1876-ban pedig Karl Wernicke ismertetik azon betegeiket, akikben meghatározott agyi laesiók eltérő beszédzavarokkal jártak; a boncasztalon talált elváltozások alapján nagy vonalakban helyesen határozták meg a beszédképességért felelős agyi területeket (l. a 42. fejezetet).

1870: Gustav Fritsch és Eduard Hitzig felfedezik, hogy a feltárt agykéreg elektromos ingerlésével kutyán mozgások válthatók ki. 1875-ben David Ferrier hasonló eredményekkel majmokban ismétli meg a vizsgálatokat. (A primer motoros mezőt majomban A. Leyton és C. S. Sherrington csak 1917-ben írják le.)

1883: Fleischl von Marxow fényingerek hatására agykérgi potenciálváltozásokat figyel meg, ezeket ma kiváltott potenciálnak nevezzük.

1895: Charles S. Sherrington megkezdi a gerincvelői reflexek és azok supraspinalis kontrolljának több évtizeden át tartó vizsgálatát. A decerebratiós rigiditast 1898-ban írja le. Munkáit 1906-ban megjelent „The Integrative Action of the Nervous System” című, korszakot jelentő monográfiájában összegezi, amelyet ismételten többször is kinyomtattak.

1912: Kinnier Wilson leírja, hogy a bazális ganglionok sérülései esetén a beteg akarattól független mozgásokat végez.

1917: Gordon Holmes brit neurológus megkezdi azon háborús veteránok idegrendszeri sérüléseinek feldolgozását, akik az első világháborúban kisagyi lövési sérülést szenvedtek (erről szóló monográfiája 1939-ben jelent meg).

1924. július 6-án Hans Berger, jénai pszichiáter, húros galvanométer segítségével egy 7 éves beteg koponyájáról első ízben regisztrál emberi elektroencefalogramot. (Berger 1902 óta foglalkozott állatkísérletekben az agyi elektromos aktivitás elvezetésével.) Az első közleményt (Über das Elektroencefalogram des Menschen) azonban csak 1929-ben jelenteti meg. Berger közlését mindaddig nem veszik komolyan, amíg 1934-ben Adrian és Matthews Angliában meg nem erősítik Berger megfigyeléseit. Csak ezt követően fogadják el és alkalmazzák az orvosi gyakorlatban az elektroencefalográfiát.

1932: Walter R. Hess közli éber, szabadon mozgó állatokban a subcorticalis struktúrák célzott ingerlésének és kiiktatásának metodikáját.

1934: S. W. Ranson és munkatársai szisztematikusan feltérképezik a hypothalamusban az autonóm idegrendszeri funkciókat irányító struktúrákat.

1949: G. Moruzzi és Horace W. Magoun a formatio reticularisban egy olyan területet fedez fel, amelynek elektromos ingerlése deszinkronizálja az EEG-t.

1950: Wilder Penfield és T. Rasmussen amerikai idegsebészek publikálják monográfiájukat („The cerebral cortex of man: A clinical study of localization of function”. The Macmillan Company, New York), amelyben közzéteszik az emberi motoros és szomatoszenzoros kéregterületek térképét, amelyet agyműtétek alkalmával tett megfigyelések alapján alkottak meg.

1953-1957: W. Penfield felhívja a figyelmet a „limbicus lebeny”-en végzett sebészi beavatkozásokat követő memóriazavarra, az eseteket Brenda Milnerrel, a kognitív pszichológia módszertanában járatos pszichológussal vizsgáltatja ki. Ebben az időben W. B. Scoville mindkét oldalon eltávolítja az epilepsziában szenvedő, és minden egyéb terápiával szemben rezisztens H. M. beteg temporalis lebenyének egy részét, ugyancsak felismeri az ezt követő súlyos memóriazavart, és Penfield közvetítésével felkéri Brenda Milnert a további vizsgálatokra. Milner éveken keresztül vizsgálja H. M.-et, és a hasonló műtéten átesett betegeket, és részletesen ismerteti a bekövetkezett működési változásokat. A híressé vált „H. M. eset”-et 1957-ben közli Scoville és Milner.

1959: Arvid Carlsson felfedezi, hogy az agy dopamintartalmának legnagyobb része a bazális ganglionokban koncentrálódik. 1966: O. Hornykiewicz kimutatja, hogy Parkinson-kórban elhunyt személyek agyában a dopamin mennyisége lecsökkent.

1967: Seymour Benzer Drosophila mutánsok viselkedési változásait tanulmányozza, ezzel megindítja a viselkedésbiológia genetikai vizsgálatát.

1989: M. E. Raichle és munkatársai pozitronemissziós tomográfia (PET) segítségével in vivo térképezik fel a beszédben szereplő agyi területeket.