Neurotiede: aivot, hermosto ja tutkimuksen perusteet

Tutustu neurotieteen perusteisiin: aivot, hermosto, solu- ja toiminnallinen tutkimus sekä sovellukset lääketieteessä ja teknologiassa.

Neurotiede (tai neurobiologia) on hermoston tieteellistä tutkimusta. Se on biologian osa-alue, joka tutkii aivojen molekyyli-, solu-, kehitys-, toiminta-, evoluutio-, laskennallisia, psykososiaalisia ja lääketieteellisiä näkökohtia.

Hermosto koostuu miljardeista hermosoluista, jotka ovat yhteydessä toisiinsa ja kehon muihin järjestelmiin. Keskushermostoon kuuluvat aivot, selkäydin ja verkkokalvo. Se on yhteydessä muuhun kehoon ääreishermoston kautta. Neurotieteilijä, on tiedemies, joka tutkii neurotieteitä.

Mitkä asiat kuuluvat neurotieteen piiriin?

Neurotiede kattaa useita eri tutkimustasoja ja -alueita. Keskeisiä aiheita ovat muun muassa:

• Molekyylinen ja solutason neurobiologia: hermosolujen ja tukisolujen (glia-solut) rakenteet, välittäjäaineet ja solusignalointi.
• Systeemitason tutkimus: miten aivojen eri alueet muodostavat piirejä, jotka säätelevät liikkumista, havaintoa, muistia ja tunteita.
• Kognitiivinen neurotiede: havaitsemisen, kielellisten toimintojen, päätöksenteon ja tietoisuuden biologiset perustat.
• Laskennallinen neurotiede: matemaattiset ja tietokonepohjaiset mallit, jotka selittävät hermoverkkojen toimintaa ja oppimista.
• Kehitys- ja evoluutionäkökulmat: miten hermosto syntyy ja kehittyy sekä miten se on muotoutunut evoluutiossa.
• Kliininen neurotiede: hermoston sairauksien, vaurioiden ja niiden hoitomenetelmien tutkimus.

Aivojen rakenne ja solut

Aivot koostuvat erilaisista rakenteista, joilla on omat tehtävänsä. Esimerkiksi aivokuori (cortex) osallistuu monimutkaiseen tiedonkäsittelyyn, hippokampus muistiin ja oppimiseen, pikkuaivot (cerebellum) liikkeiden hienosäätöön ja aivorunko elintoimintojen ylläpitoon. Tärkeimpiä solutyyppejä ovat:

• Hermot (neurons): viestivät sähköisesti ja kemiallisesti synapsien kautta.
• Glia-solut: tukevat ja huoltavat hermosoluja; niihin kuuluvat astrocyytit, oligodendrosyytit (myelinoivat aksonit) ja mikroglia.
• Synapsit: liitoskohdat, joissa hermosolut vaihtavat viestejä neurotransmittereilla.

Tutkimusmenetelmät

Neurotieteissä käytetään monipuolisia tekniikoita, jotka kattavat solu- ja molekyylitason menetelmistä ihmistutkimuksen kuvantamiseen ja käyttäytymiskokeisiin. Tavallisimpia menetelmiä ovat:

• Elektrofysiologia (esim. yksikkörekisteröinnit, patch-clamp)
• Kuvantamistekniikat (fMRI, PET, CT, DTI)
• EEG ja MEG aivojen sähköisen ja magneettisen toiminnan mittaamiseen
• Calcium-imaging ja two-photon -mikroskopia solutason aktiivisuuden seuraamiseen
• Genetiikka ja molekyylibiologia (esim. geenimuokkaukset, transgeeniset mallit)
• Optogenetiikka ja kemogenetiikka hermosolujen tarkkaan ohjaukseen eläinmalleissa
• Käyttäytymistutkimukset ja kliiniset kokeet ihmisten kognitiivisten toimintojen kartoittamiseen

Oppiminen, muisti ja plastisuus

Yksi neurotieteen keskeisistä löydöistä on aivojen muovautuvuus eli plastisuus: hermoyhteydet voivat vahvistua, heikentyä tai syntyä uudelleen kokemusten ja harjoittelun myötä. Synaptinen plastisuus, kuten pitkäaikainen potentiation (LTP) ja pitkäaikainen depressio (LTD), liittyy oppimiseen ja muistin muodostumiseen.

Sairaudet ja sovellukset

Neurotieteellinen tutkimus on tärkeää myös sairauksien ymmärtämisessä ja hoidossa. Tähän kuuluvat muun muassa:

• Neurodegeneratiiviset sairaudet: Alzheimerin tauti, Parkinsonin tauti
• Vauriot ja onnettomuuksien seuraukset: aivovammat, selkäydinvammat
• Neurologiset ja epileptiset sairaudet
• Psykiatriset häiriöt: masennus, skitsofrenia, autismikirjon häiriöt

Sovelluksia ovat esimerkiksi neurofarmakologia, aivokirurgia, neuroproteesit (esim. kuulokojeet, liikekontrolloidut proteesit), aivo–tietokone-rajapinnat ja myös keinot, joilla neurotiede vaikuttaa opetukseen ja kuntoutukseen.

Historia ja eettiset näkökohdat

Neurotiede hyödyntää vuosisatojen havaintoja ja teknologian kehitystä. Historiassa merkittäviä henkilöitä ovat olleet esimerkiksi tutkijat, jotka kuvasivat aivojen anatomiaa ja synapsien olemusta sekä 1900-luvun kehitys neurokuvantamisessa ja molekyylibiologiassa. Nykyään huomiota kiinnitetään myös eettisiin kysymyksiin: aivotutkimuksen uudet keinot voivat herättää kysymyksiä yksityisyydestä (”aivoprivacy”), päätösvallasta, hoidon oikeudenmukaisesta saatavuudesta sekä koehenkilöiden suostumuksesta ja turvallisuudesta.

Miksi neurotiede on tärkeää?

Neurotiede auttaa ymmärtämään, miten me havaitsemme maailman, opimme, muistamme, tunnemme ja toimimme. Se tuo tietoa, joka on välttämätöntä neurologisten ja psykiatristen sairauksien hoidon kehittämiselle, mutta myös laajempien kysymysten, kuten tekoälyn ja inhimillisen käyttäytymisen, ymmärtämiselle.

Hae kirjaimella