35.3 Miðtaugakerfið

Markmið náms

Í lok þessa hluta muntu geta gert eftirfarandi:

• Borið kennsl á mænu, heilablöð og önnur svæði heilans á skýringarmynd af heilanum
• Lýst grunnvirkni mænu, heilablaða og annarra svæða heilans

Miðtaugakerfið (CNS) samanstendur af heila og mænu, og hluti þess er sýndur á mynd 35.19. Það er þakið þremur verndandi himnulögum sem kallast heilahimnur (meninges, dregið af gríska orðinu fyrir himnu). Ysta lagið er basthimna (dura mater, latína fyrir „harða móður“). Eins og latneska heitið gefur til kynna er meginhlutverk þessa þykka lags að vernda heilann og mænuna. Basthimnan inniheldur einnig bláæðalíkar byggingar sem flytja blóð frá heilanum aftur til hjartans. Miðlagið er vefjarhimna (arachnoid mater), sem líkist kóngulóarvef. Innsta lagið er reifarhimna (pia mater, latína fyrir „mjúka móður“), sem liggur beint upp að heila og mænu og þekur þau eins og plastfilma. Rýmið milli vefjarhimnu og reifarhimnu er fyllt með heila- og mænuvökva (CSF). Heila- og mænuvökvi er framleiddur af vef sem kallast æðuflækja (choroid plexus) í vökvafylltum hólfum í miðtaugakerfinu sem kallast heilahólf. Heilinn flýtur í heila- og mænuvökva, sem virkar sem púði og höggdeyfir og gerir heilann flotjafnan. Heila- og mænuvökvi dreifir einnig efnum um heilann og inn í mænuna.

Allur heilinn inniheldur aðeins um 8,5 matskeiðar af heila- og mænuvökva, en vökvinn er stöðugt framleiddur í heilahólfunum. Þetta skapar vandamál þegar heilahólf stíflast: heila- og mænuvökvi safnast upp, bólga myndast og heilinn þrýstist upp að höfuðkúpunni. Þetta ástand kallast vatnshöfuð (hydrocephalus) og getur valdið flogum, hugrænum vandamálum og jafnvel dauða ef hjáleiðsluslanga er ekki sett inn til að fjarlægja vökva og létta þrýsting.

Heili

Heilinn er sá hluti miðtaugakerfisins sem er í höfuðkúpunni. Hann inniheldur heilabörk, randkerfi, grunnhnoð, stúku, undirstúku og litla heila. Það eru þrjár mismunandi leiðir til að skera heila til að skoða innri byggingu: örskurður sker heilann frá vinstri til hægri, eins og sýnt er á mynd 35.21 b, krónuskurður sker heilann frá framhlið til bakhliðar, eins og sýnt er á mynd 35.20 a, og þverskurður sker heilann ofan frá og niður.

Heilabörkur

Ysti hluti heilans er þykkt lag af taugavef sem kallast heilabörkur (cerebral cortex). Heilabörkurinn er fellingaður í gárur (gyri, eintala: gyrus) og skorur (sulci, eintala: sulcus). Börkurinn samanstendur af tveimur heilahvelum, hægra og vinstra, sem eru aðskilin með stórri skor. Þykkt taugatrefjabúnt sem kallast hvelatengsl tengir heilahvelin tvö og gerir upplýsingum kleift að berast frá annarri hliðinni til hinnar. Þótt sum heilastarfsemi sé staðbundin meira í öðru heilahvelinu en hinu skarast starfsemi heilahvelanna að miklu leyti. Reyndar er stundum, þó mjög sjaldan, heilt heilahvel fjarlægt til að meðhöndla alvarlega flogaveiki. Sjúklingar verða fyrir einhverri skerðingu eftir slíka aðgerð, en geta átt við furðu fá vandamál að stríða, sérstaklega þegar aðgerðin er gerð á börnum með mjög óþroskað taugakerfi.

Í öðrum skurðaðgerðum til að meðhöndla alvarlega flogaveiki eru hvelatengslin skorin í sundur í stað þess að fjarlægja heilt heilahvel. Þetta veldur ástandi sem kallast klofinn heili (split-brain), sem veitir innsýn í einstaka starfsemi heilahvelanna tveggja. Til dæmis, þegar hlutur er sýndur í vinstra sjónsviði sjúklinga, gætu þeir verið ófærir um að nefna hlutinn munnlega (og gætu haldið því fram að þeir hafi alls ekki séð neinn hlut). Þetta er vegna þess að sjónræn boð frá vinstra sjónsviði krossast og fara inn í hægra heilahvelið og geta þá ekki sent boð til talstöðvarinnar, sem er almennt að finna vinstra megin í heilanum. Merkilegt nokk, ef sjúklingur með klofinn heila er beðinn um að taka upp tiltekinn hlut úr hópi hluta með vinstri hendi, mun sjúklingurinn geta gert það en samt vera ófær um að bera kennsl á hann munnlega.

Tengill í námsefni

Horfðu á þetta myndband til að læra meira um sjúklinga með klofinn heila.

Hvort heilahvel inniheldur svæði sem kallast blöð (lobes) sem koma að mismunandi starfsemi. Vísindamenn nota ýmsar aðferðir til að ákvarða hvaða heilasvæði koma að mismunandi starfsemi: þeir rannsaka sjúklinga sem hafa orðið fyrir meiðslum eða sjúkdómum sem hafa áhrif á tiltekin svæði og sjá hvernig þau svæði tengjast virkniskerðingu. Þeir framkvæma einnig dýrarannsóknir þar sem þeir örva heilasvæði og sjá hvort einhverjar hegðunarbreytingar eigi sér stað. Þeir nota tækni sem kallast segulörvun í gegnum höfuðkúpu (TMS) til að gera tiltekna hluta barkarins tímabundið óvirka með því að nota sterka segla sem eru staðsettir utan á höfðinu; og þeir nota starfræna segulómun (fMRI) til að skoða breytingar á flæði súrefnisríks blóðs á tilteknum heilasvæðum sem samræmast tilteknum hegðunarverkefnum. Þessar aðferðir, og aðrar, hafa veitt mikla innsýn í starfsemi mismunandi heilasvæða en hafa einnig sýnt að tiltekið heilasvæði getur komið að fleiri en einni hegðun eða ferli, og tiltekin hegðun eða ferli felur almennt í sér taugafrumur á mörgum heilasvæðum. Að því sögðu má skipta hverju heilahveli spendýra í fjögur starfrænt og staðbundið skilgreind blöð: ennisblað, hvirfilblað, gagnaugablað og hnakkablað. Mynd 35.21 sýnir þessi fjögur blöð heilabarkar manna.

Ennisblaðið (frontal lobe) er staðsett fremst í heilanum, fyrir ofan augun. Þetta blað inniheldur lyktarklumbu (olfactory bulb), sem vinnur úr lykt. Ennisblaðið inniheldur einnig hreyfibörk (motor cortex), sem er mikilvægur fyrir skipulagningu og framkvæmd hreyfinga. Svæði innan hreyfibarkarins kortleggjast við mismunandi vöðvahópa, og það er ákveðið skipulag á þessu korti, eins og sýnt er á mynd 35.22. Til dæmis eru taugafrumurnar sem stjórna hreyfingu fingra við hlið taugafrumna sem stjórna hreyfingu handarinnar. Taugafrumur í ennisblaði stjórna einnig hugrænni starfsemi eins og að viðhalda athygli, tali og ákvarðanatöku. Rannsóknir á mönnum sem hafa skemmt ennisblöð sín sýna að hlutar þessa svæðis koma að persónuleika, félagsmótun og áhættumati.

Hvirfilblaðið (parietal lobe) er staðsett efst á heilanum. Taugafrumur í hvirfilblaði koma að tali og einnig lestri. Tvö af meginhlutverkum hvirfilblaðsins eru úrvinnsla líkamsskyns (somatosensation) – snertiskynjunar eins og þrýstings, sársauka, hita, kulda – og úrvinnsla stöðuskyns (proprioception) – skyns á hvernig líkamshlutar snúa í rýminu. Hvirfilblaðið inniheldur líkamsskynkort af líkamanum svipað og hreyfibörkurinn.

Hnakkablaðið (occipital lobe) er staðsett aftast í heilanum. Það kemur fyrst og fremst að sjón – að sjá, þekkja og bera kennsl á hinn sjónræna heim.

Gagnaugablaðið (temporal lobe) er staðsett neðst í heilanum við eyrun og kemur fyrst og fremst að úrvinnslu og túlkun hljóða. Það inniheldur einnig dreka (hippocampus, gríska fyrir „sæhest“) – uppbyggingu sem vinnur að minnismyndun. Drekinn er sýndur á mynd 35.24. Hlutverk drekans í minni var að hluta til ákvarðað með því að rannsaka einn frægan flogaveikisjúkling, HM, sem lét fjarlægja báðar hliðar drekans í tilraun til að lækna flogaveiki sína. Flog hans hurfu, en hann gat ekki lengur myndað nýjar minningar (þó hann gæti munað sumar staðreyndir frá því fyrir aðgerðina og gæti lært ný hreyfiverkefni).

Þróunartengsl

Heilabörkur

Samanborið við önnur hryggdýr hafa spendýr óvenju stóra heila miðað við líkamsstærð. Heili heils krókódíls, til dæmis, myndi fylla um eina og hálfa teskeið. Þessi aukning á hlutfalli heila og líkamsstærðar er sérstaklega áberandi hjá öpum, hvölum og höfrungum. Þó að þessi aukning á heildarstærð heilans hafi vafalaust spilað hlutverk í þróun flókinnar hegðunar sem er einstök fyrir spendýr, segir hún ekki alla söguna. Vísindamenn hafa fundið samband milli tiltölulega mikils yfirborðs barkarins og greindar og flókinnar félagslegrar hegðunar sem sum spendýr sýna. Þetta aukna yfirborð er að hluta til vegna aukinnar fellingar barkarlagsins (fleiri skorur og fellingar). Til dæmis er börkur rottu mjög sléttur með mjög fáum skorum og fellingum. Berki katta og sauðfjár hafa fleiri skorur og fellingar. Simpansar, menn og höfrungar hafa enn fleiri.

Grunnhnoð

Samtengd heilasvæði sem kallast grunnhnoð (eða grunnhnoðr), sýnd á mynd 35.20 b, gegna mikilvægu hlutverki í stjórnun hreyfinga og líkamsstöðu. Skemmdir á grunnhnoðum, eins og í Parkinsonsveiki, leiða til hreyfitruflana eins og skjögrandi göngulags við gang. Botnhnoðin stjórna einnig áhugahvöt. Til dæmis, þegar geitungstunga leiddi til tvíhliða skemmda á grunnhnoðum hjá 25 ára gömlum viðskiptamanni, byrjaði hann að eyða öllum dögum sínum í rúminu og sýndi engu eða neinum áhuga. En þegar hann var örvaður utan frá – eins og þegar einhver bað um að spila við hann á spil – gat hann starfað eðlilega. Athyglisvert er að hann og aðrir svipaðir sjúklingar segjast ekki finna fyrir leiða eða pirringi vegna ástands síns.

Stúka

Stúkan (gríska fyrir „innra herbergi“), sýnd á mynd 35.24, virkar sem hlið til og frá berkinum. Hún tekur við skyn- og hreyfiboðum frá líkamanum og fær einnig endurgjöf frá berkinum. Þetta endurgjafarferli getur stýrt meðvitund um skyn- og hreyfiboð eftir athygli og vökustigi dýrsins. Stúkan hjálpar til við að stjórna meðvitund, vöku og svefnstigum. Sjaldgæfur erfðasjúkdómur sem kallast banvænt ættgengt svefnleysi veldur hrörnun taugafrumna og taugatróðs í stúkunni. Þessi sjúkdómur kemur í veg fyrir að sjúklingar geti sofið, meðal annarra einkenna, og er að lokum banvænn.

Undirstúka

Undir stúkunni er undirstúkan, sýnd á mynd 35.24. Undirstúkan stjórnar innkirtlakerfinu með því að senda boð til heiladinguls, sem er innkirtill á stærð við ertu sem losar ýmis hormón sem hafa áhrif á aðra kirtla sem og aðrar frumur. Þetta samband þýðir að undirstúkan stjórnar mikilvægri hegðun sem er stýrt af þessum hormónum. Undirstúkan er hitastillir líkamans – hún sér til þess að lykilstarfsemi eins og fæðu- og vatnsinntaka, orkunotkun og líkamshiti haldist á viðeigandi stigi. Taugafrumur innan undirstúkunnar stjórna einnig dægursveiflum, stundum kallaðar svefnferlar.

Randkerfi

Randkerfið er tengt mengi bygginga sem stjórnar tilfinningum, sem og hegðun sem tengist ótta og áhugahvöt. Það gegnir hlutverki í minnismyndun og inniheldur hluta af stúku og undirstúku ásamt drekanum. Ein mikilvæg bygging innan randkerfisins er bygging í gagnaugablaði sem kallast möndlungur, sýnd á mynd 35.24. Möndlungarnir tveir eru mikilvægar bæði fyrir upplifun ótta og til að þekkja óttaslegin andlit. Gyrðisgáran hjálpar til við að stjórna tilfinningum og sársauka.

Litli heili

Litli heili (latína fyrir „lítill heili“), sýndur á mynd 35.21, situr við botn heilans ofan á heilastofninum. Litli heili stjórnar jafnvægi og aðstoðar við samhæfingu hreyfinga og nám nýrra hreyfiverkefna.

Heilastofn

Heilastofninn, sýndur á mynd 35.21, tengir restina af heilanum við mænuna. Hann samanstendur af miðheila, mænukylfu og heilabrú. Hreyfi- og skyntaugafrumur liggja í gegnum heilastofninn og gera kleift að miðla boðum milli heila og mænu. uppstigandi taugabrautir krossast í þessum hluta heilans sem gerir vinstra heilahveli heilans kleift að stjórna hægri hlið líkamans og öfugt. Heilastofninn samhæfir stjórnboð hreyfinga sem send eru frá heilanum til líkamans. Heilastofninn stjórnar nokkrum mikilvægum starfsemum líkamans, þar á meðal árvekni, vöku, öndun, blóðþrýstingi, meltingu, hjartslætti, kyngingu, gangi og samþættingu skyn- og hreyfiupplýsinga.

Mæna

Mænan, sýnd á mynd 35.21, tengist heilastofninum og liggur niður eftir líkamanum í gegnum hryggsúluna. Mænan er þykkur vöndull taugavefs sem ber upplýsingar um líkamann til heilans og frá heilanum til líkamans. Mænan er varðveitt innan beina hryggsúlunnar en getur miðlað boðum til og frá líkamanum í gegnum tengingar sínar við mænutaugar (hluti af úttaugakerfinu). Þverskurður af mænunni lítur út eins og hvítur sporbaugur sem inniheldur grátt fiðrildalaga form, eins og sýnt er á mynd 35.25. Mýelínbundnir símar mynda „hvíta efnið“ og frumubolir taugafrumna og tróðfrumna mynda „gráa efnið“. Gráa efnið er einnig samsett úr millitaugafrumum, sem tengja saman tvær taugafrumur sem hvor um sig er staðsett í mismunandi hlutum líkamans. Símar og frumubolir í baklægri (snýr að baki dýrsins) mænu bera aðallega skynupplýsingar frá líkamanum til heilans. Símar og frumubolir í kviðlægri (snýr að framhlið dýrsins) mænu senda fyrst og fremst boð sem stjórna hreyfingum frá heilanum til líkamans.

Mænan stjórnar einnig hreyfiviðbrögðum. Þessi viðbrögð eru snöggar, ómeðvitaðar hreyfingar – eins og að kippa hendi sjálfkrafa frá heitum hlut. Viðbrögð eru svo hröð vegna þess að þau fela í sér staðbundnar taugamótatengingar. Til dæmis er hnéviðbragðinu, sem læknir prófar í hefðbundinni skoðun, stjórnað af einum taugamótum milli skyntaugafrumu og hreyfitaugafrumu. Þó að viðbragð krefjist hugsanlega aðeins þátttöku eins eða tveggja taugamóta, senda taugamót við millitaugafrumur í mænunni upplýsingar til heilans til að miðla því sem gerðist (hnéð kipptist til eða hendin var heit).

Í Bandaríkjunum verða um 10.000 mænuskaðar á hverju ári. Þar sem mænan er upplýsingahraðbrautin sem tengir heilann við líkamann geta skemmdir á mænunni leitt til lömunar. Umfang lömunarinnar fer eftir staðsetningu áverkans eftir endilöngri mænunni og hvort mænan hafi farið alveg í sundur. Til dæmis, ef mænan skemmist í hæð við hálsinn, getur það valdið lömun frá hálsi og niður, en skemmdir á hryggsúlunni neðar geta takmarkað lömun við fæturna. Mænuskaðar eru alræmdir fyrir að vera erfiðir í meðferð því mænutaugar endurnýja sig ekki, þó að rannsóknir sem standa yfir bendi til þess að stofnfrumuígræðsla gæti virkað sem brú til að endurtengja slitnar taugar. Vísindamenn eru einnig að skoða leiðir til að koma í veg fyrir bólgu sem versnar taugaskemmdir eftir áverka. Ein slík meðferð er að dæla köldu saltvatni í líkamann til að framkalla ofkælingu. Þessi kæling getur komið í veg fyrir bólgu og önnur ferli sem talin eru versna mænuskaða.