Prófaðu að telja svona: Ein milljón, tvær milljónir, þrjá milljónir o.s.frv. Ef þú nefnir eina tölu á sekúndu og heldur áfram í þrjú ár veitir þessi romsa ágæta innsýn í þróun nýrra taugatenginga í heilanum fyrstu þrjú æviárin.
Að öllu samanlögðu byggjum við upp meira en 100.000 milljarða taugatenginga milli um 86 milljarða taugafrumna í heilanum.
Taugafrumurnar og tengslin milli þeirra skipta öllu varðandi andlega hæfni okkar og hröð þróun í bernsku hjálpar okkur að læra á heiminn og ná valdi á líkamanum.
En þróun heilans lýkur ekki með bernskunni. Heilinn þróast áfram alla ævi og sú þróun hefur mikil áhrif á allt frá minni okkar til rökgreindar
Tilraunadýr sýna hversu flókinn heili okkar er
Þrátt fyrir þetta stóra hlutverk heilafrumnanna í hversdagslífi okkar hafa vísindamenn hingað til ekki getað kortlagt þróun þeirra gegnum æviárin. Heilinn er nánast óendanlega flókinn og það hefur gert mönnum ókleift að ná heildstæðri yfirsýn.
Með nýrri tækni hefur nú tekist að ná slíkri yfirsýn í heila ýmissa tilraunadýra.
Strax eftir 7 vikna meðgöngu byrjar heilinn að mótast. Taugafrumur koma sér fyrir og eru tilbúnar að leita eftir fyrstu tengingum við aðrar heilafrumur.
Niðurstöðurnar endurspegla mjög líklega það sem gerist í mannsheilanum og þær sýna m.a. að elliheili á fjölmargt sameiginlegt með mjög ungum heila. Þetta gæti auðveldað okkur að skilja hvers vegna dregur úr andlegri hæfni okkar með aldrinum.
Frumurnar þreifa sig áfram
Þróun heilans hefst þegar fóstrið er um sjö vikna og út frá hópi stofnfrumna sem hafa hæfni til að þróast í hvaða gerð heilafrumna sem er. Á svæði sem nefnist heilahol þróast taugafrumur og finna sér stað í hinum frumstæða heila.
Þegar þær eru komnar á sinn stað mynda þær langa taugaþræði og taka að leita að öðrum taugafrumum sem þær geta tengst. Tengingarnar sem einnig kallast taugamót, eru snertipunktar sem frumurnar nota til að senda boð sín á milli.
Við fæðingu hefur hver heilafruma að meðaltali myndað 2.500 tengingar við aðrar frumur og þessi tala hækkar upp í um 15.000 við tveggja ára aldur.
Taugafrumur laða aðrar að sér
Taugamót eru tengipunktar heilafrumna og gera þeim kleift að skiptast á taugaboðum. Einkum á fósturstigi myndast mikið af tengingum en við höldum áfram að mynda nýjar tengingar alla ævi, t.d. þegar við lærum eitthvað eða leggjum á minnið.
1. Taugaendar leita að maka
Út frá hverri taugafrumu vaxa taugaendar sem greina þær sameindir sem berast frá öðrum heilafrumum. Sumar sameindirnar eru fráhrindandi en aðrar aðlaðandi. Samspilið stýrir vexti taugaendans um heilann.
2. Aðlöðun skapar tengingar
Þegar taugaendar tveggja frumna mætast gefa þeir frá sér boðefni sem sýna hvort frumurnar eigi vel saman. Sé svo, tengjast þær með prótínum á yfirborði taugaendanna. Þessi tengipunktur kallast taugamót.
3. Tala saman með boðefnum
Þegar rafboð í annarri frumunni ná til taugamótanna losar taugaendinn svonefnd boðefni sem berast yfir taugamótin til taugaenda hinnar frumunnar. Sú fruma bregst við með því að mynda sjálf rafboð.
Sameindalíffræðingurinn Daniel Witvliet og samstarfsfólk hans birtu tímamótarannsókn á þróun heilans árið 2020. Þetta er í fyrsta sinn sem vísindamönnum hefur tekist að kortleggja hverja einustu taugafrumu og öll taugamót í heila dýrs yfir mörg æviskeið.
Ormar sexfalda tengingar
Fyrst klónuðu vísindamennirnir átta hringorma þannig að til urðu fjögur eins eintök af hverjum einstaklingi. Þessi fjögur eintök voru látin lifa fram á mismunandi æviskeið og heilinn rannsakaður í smáatriðum.
Með þessari aðferð var bæði unnt að skapa sér mynd af því hvernig heili tiltekins einstaklings þróast um ævina og hvernig þróun einstaklinga er mismunandi.
Vísindamenn hafa kortlagt hverja einustu heilafrumu í hringormi á þriggja daga þróun hans frá lirfustigi í fullvaxinn orm.
Niðurstöðurnar sýndu m.a. að taugafrumurnar voru komnar á sinn stað við fæðingu en á ævinni uxu fram taugaendar og hver taugafruma sexfaldaði fjölda tenginga við aðrar frumur.
Vísindamennirnir uppgötvuðu líka að þróun heilans fylgdi nokkuð fyrirsjáanlegu mynstri – t.d. urðu tengingar sem voru sterkar við fæðingu yfirleitt enn sterkari á æviskeiði ormsins.
43% af heilatengingum ormanna voru einstaklingsbundnar.
Þróun heilans reyndist þó ekki alveg fyrirsjáanleg. Á æviskeiðinu þróuðust tengingar hver á sinn hátt þannig að um 43% af taugatengingunum voru mismunandi milli einstaklinga.
Ef eitthvað svipað gildir um mannfólkið þýðir það sem sagt að innra netverk heilans er afar breytilegt milli einstaklinga
Tengingum fækkar snemma
Taugatengingar í heilanum ákvarða andlega hæfni. Þær stýra því hvaða frumur geta talað saman og líka því hversu ákaft samtalið er; m.a. geta prótínsamsetningar á taugamótum breyst þannig að viðtökufruman verði viðkvæmari fyrir boðum sendifrumunnar.
Öflug samskipti á tilteknu heilasvæði þýða að þú átt auðvelt með eitthvað. Góðar tengingar í málstöðvum stuðla að góðum málþroska en öflugar tengingar í hreyfistöðvum heilans geta aukið fingrafimina.
LESTU EINNIG
Það er þó ekki svo að sterkar taugatengingar séu alltaf til góðs. Tilraunir á músum sýna að heilinn fer að grisja taugatengingar verulega eftir frumbernsku músanna.
Mélissa Cizeron og samstarfsfólk hennar meðhöndluðu gen allmargra músa þannig árið 2020 að sum prótín á taugamótum lýstu í mismunandi litum. Með því móti var unnt að fylgjast með þróun taugamótanna alla ævi músanna.
Tilraunin sýndi að taugamótum fjölgaði hratt fyrsta mánuðinn eftir fæðingu – en í næsta mánuði á eftir fækkaði tengingunum aftur mjög hratt. Aðrar rannsóknir benda til þess að svipað gildi um börn.
Hollensk rannsókn leiddi þannig í ljós að taugatengingum í barnsheila fjölgar fram til níu ára aldurs en eftir það fer þeim fækkandi þangað til um þrítugt.
Og þetta gildir ekki bara um taugamótin. Árið 2007 leiddi dönsk rannsókn í ljós að alla vega á sumum heilasvæðum fækkar heilafrumum talsvert á æskuárum. Í hluta heilastúkunnar kom í ljós að frumurnar eru 41% færri í fullorðnum en í nýfæddum börnum.
Fækkun heilafrumna og taugamóta á æskuárum leiðir þó ekki til minnkandi heilagetu – þvert á móti. Heilinn fjarlægir einfaldlega þær frumur sem hann notar lítið sem ekkert. Þannig má segja að hann straumlínulagi sjálfan sig og geri starfsemina árangursríkari.
Sumir vísindamenn telja að börn sem ekki grisja taugatengingar nógu hratt, þrói t.d. málþroska sinn hægar.
Músaheilinn hefur í það minnsta 37 mismunandi tengingar.
Músatilraunir Mélissu Cizeron leiddu til fleiri uppgötvana. Vísindamennirnir fundu margar mismunandi gerðir taugamóta – alls 37 – sem reyndust ólíkar í lögun, stærð og samsetningu prótína.
Snemma á æviskeiðinu voru örfáar gerðir taugamóta nánast einráðar en fjölbreytnin jókst eftir því sem á leið og hvert heilasvæði þróaði sínar eigin gerðir taugamóta. Mismunandi taugamót meðhöndla boð á mismunandi hátt og á þennan hátt öðlast heilastöðvarnar mismunandi eiginleika.
Gamlir líkjast ungum
Heilasvæði aðlagast því sem sagt að leysa tiltekin viðfangsefni – þróun sem trúlega speglar þróun andlegrar hæfni okkar frá barnsaldri til fullorðinsára.
Frá tveggja til sjö ára aldurs þróast langtímaminni til dæmis mikið en lífsreynsla mjög ungra barna varðveitist yfirleitt ekki sem minningar til langs tíma. Á unglingsárum þroskast hæfni til óhlutbundinnar hugsunar mjög verulega. Hið sama gildir um getu til að meta úrlausnarefni frá fleiri sjónarhornum en einu.
Í bernsku, þegar heilinn skerpist, verður fyrsta stóra upplausnin á heilatengingum. Á elliárum verður líka upplausn á heilatengingum en hún stafar af veiklun.
En þróunin snýst við. Þegar mýsnar í Cizeron-tilrauninni náðu þriggja mánaða aldri tóku taugamót í mismunandi heilastöðvum að þróast til meiri einsleitni og sú þróun hélt áfram til æviloka.
Samanburður eftir mislangan líftíma sýndi að heili í 18 mánaða gamalli mús var keimlíkari heila tveggja vikna músar en þriggja mánaða músar. Í ellinni virðist heilinn sem sagt snúa aftur til bernskunnar.
Öldrun breytir heilanum
Cizeron og félagar hennar telja þróun í heilastöðvum músa á öldrunarskeiði líklega geta skýrt hvernig mannfólkið finnur fyrir breytingum á andlegri getu með aldrinum.
Tilraunin leiddi t.d. í ljós að þróunin hægði á takti heilaboða í heiladrekanum en slík breyting hefur trúlega áhrif á minni og lærdómsgetu.
Mýsnar sýndu líka aðra, mjög skýra breytingu í ellinni. Eftir að fjöldi taugamóta hafði verið mjög stöðugur á fullorðinsskeiði fór þeim fækkandi eftir að mýsnar urðu ársgamlar, sem sagt miðaldra.
Þrjár heilastöðvar skreppa saman með aldrinum
Með hækkandi aldri verður heilinn ófær um að viðhalda sjálfum sér og það þýðir að lokum að hann fer að skreppa saman – jafnvel hjá fullkomlega heilbrigðu fólki. Þessi náttúrulega hrörnun kemur sérstaklega fram í þremur heilasvæðum og setur mark sitt á andlega getu aldraðra.
1. Minnið dregst saman – minnkar – um 0,84 % á ári
Þrátt fyrir að heilasvæðið drekinn geymi ekki minningar okkar gegnir svæðið lykilhlutverki í getu til að geyma minningar og kalla þær fram.
Áhrif: Aldraðir eiga erfiðara með að muna gamlar minningar og geyma nýjar minningar.
2. Stjórnstöð heilans – minnkar – um 0,59 % á ári
Fremsti hluti ennisblaðs heilans er einstakur fyrir menn og stjórnar því hvernig mismunandi stöðvar heilans skiptast á upplýsingum.
Áhrif: Aldraðir hugsa og bregðast hægar við.
3. Málkunnátta dvínar – minnkar um 0,56 % á ári
Rétt fyrir aftan gagnauga er svæði í heilanum (gagnaugablöð) sem tekur þátt í að koma hugsunum sínum í orð og skynja og bregðast við skynhrifum.
Áhrif: Aldraðir eiga í erfiðleikum með að tjá sig og geta persónuleikinn getur breyst.
Fækkun taugamóta í bernsku þjónar þeim tilgangi að auka sérhæfingu í heilanum en á gamals aldri verða áhrifin allt önnur. Mikilsverðar tengingar glatast og heilagetan minnkar.
Jafnframt taka heilafrumur að deyja án þess að nýjar komi í staðinn og að samanlögðu veldur þetta því að mannsheilinn minnkar um 0,5% á ári eftir sextugt. Fækkun taugamóta og heilafrumna skýrir væntanlega fjölmargar af þeim breytingum sem eldra fólk verður vart við í daglegu lífi.
M.a. daprast bæði minnið og hæfnin til að reikna í huganum og heilinn starfar heldur ekki jafnhratt og áður. Honum veitist líka erfiðara að hugsa óhlutbundið og leysa verkefni – tveir hæfileikar sem blómstruðu á unglingsárum þegar heilastöðvar náðu að sérhæfa sig.
Tungumálið, orðaforði og almenn þekking eykst alla ævi.
Öldrunarleiðin liggur þó sem betur fer ekki bara niður á við. Almennt heldur málhæfnin sér t.d. nokkurn veginn fyllilega ævina á enda og okkur tekst m.a.s. að halda áfram að bæta við orðaforðann. Áttunarskynið og hæfnin til að muna atburði í réttri tímaröð halda sér líka. Almenn þekking okkar heldur líka stöðugt áfram að vaxa með árunum.
Auk þess má að einhverjum hluta draga úr eða snúa við þeirri neikvæðu þróun sem verður sums staðar í heilanum.
Rafóður skapa nýtt líf
Við höldum hæfninni til að mynda ný taugamót alla ævi og aldraðir geta fjölgað taugamótum á vissum stöðum í heilanum með andlegri þjálfun. Þannig er t.d. hægt að bæta skammtímaminnið.
Líkamsþjálfun getur líka reynst gagnleg þar eð hún getur komið heilafrumum til að losa efni sem örva nýmyndun taugamóta.
Vísindamenn vinna líka að því að stytta sér leið og styrkja heilann án þjálfunar. Raförvun heilans þykir í því samhengi lofa góðu.
Rafóðum er komið fyrir utan á höfuðskelinni og segulsviðið sem þannig er myndað umhverfis heilann dugar til að örva virkni heilafrumnanna. Meðal afleiðinganna er aukning efnisins BDNF sem vitað er að á þátt í myndun taugamóta.
Þessi meðhöndlun er víða viðurkennd sem meðferð gegn þunglyndi en það birtist m.a. í fækkun taugamóta. Margar tilraunir benda til að aðferðin hafi jákvæð áhrif á eldra fólk sem tekið er að hrörna andlega. Þessar rannsóknir eru þó enn ekki langt komnar.
Virki aðferðin eins og til er ætlast gætu aldraðir heilar fullorðnast á ný ef svo mætti segja.
