Neurotieteilijät, jotka ovat kiinnostuneita aivojen toiminnasta, keskittyvät luonnollisesti hermosoluihin, soluihin, jotka voivat välittää aisti- ja ajatuselementtejä toisilleen sähköisten impulssien välityksellä. Mutta yhtä tutkimisen arvoinen on aine, joka on niiden välissä - viskoosi pinnoite näiden hermosolujen ulkopuolella. Suunnilleen nenässämme ja nivelissämme olevaa rustoa vastaava aines tarttuu kalaverkkona joihinkin hermosoluihimme, mikä inspiroi nimeä perineuronaaliset verkot (PNNs). Ne koostuvat pitkistä sokerimolekyyliketjuista, jotka on kiinnitetty proteiinitelineeseen, ja ne pitävät hermosoluja paikoillaan, estäen niitä itämästä ja muodostamasta uusia yhteyksiä.
Tämän kyvyn ansiosta tämä vähän tunnettu hermopinnoite tarjoaa vastauksia joihinkin hämmentävämpiin kysymyksiin aivoista: Miksi nuoret aivot imevät uutta tietoa niin helposti? Miksi posttraumaattiseen stressihäiriöön (PTSD) liittyvät pelottavat muistot on niin vaikea unohtaa? Miksi on niin vaikeaa lopettaa juominen alkoholiriippuvuuden jälkeen? Ja sen mukaan uutta tutkimusta neurotieteilijä Arkady Khoutorsky ja hänen kollegansa McGill Universitystä, tiedämme nyt, että PNN:t myös selittävät, miksi kipu voi kehittyä ja kestää niin kauan hermovaurion jälkeen.
Hermoplastisuus on hermoverkkojen kykyä muuttua vastauksena elämän kokemuksiin tai korjata itsensä aivovamman jälkeen. Tällaisia vaivattoman muutoksen mahdollisuuksia kutsutaan kriittisiksi ajanjaksoiksi, kun ne tapahtuvat varhaisessa elämässä. Mieti, kuinka helposti vauvat omaksuvat kielen, mutta kuinka vaikeaa on oppia vierasta kieltä aikuisena. Tavallaan tämä on se, mitä me haluaisimme: Kun monimutkaiset neuroverkot, joiden avulla voimme ymmärtää äidinkieltämme, on muodostunut, on tärkeää, että ne lukitaan, jotta verkot pysyvät suhteellisen häiriintymättöminä loppuelämämme ajan.
Tämä tarkoittaa, että kriittisen ajanjakson jälkeen hermoverkot muuttuvat vastustuskykyisiksi, ja PNN:t ovat suuri syy siihen. Ne muodostuvat neuronien päälle ja lukitsevat hermoverkkojohdot paikoilleen kriittisen ajanjakson lopussa. Tämä tapahtuu useimmiten 2–8-vuotiaana, mutta PNN-soluja muodostuu hermosoluihin myös aikuisiässä vaikeasti murtuvan käyttäytymisen yhteydessä tai pitkäaikaisten muistojen muodostumisen yhteydessä. Jos voisimme viivyttää kriittisten ajanjaksojen sulkeutumista tai jotenkin avata ne uudelleen myöhemmässä elämässä, se palauttaisi nuorekkaan hermoston plastisuuden, edistäisi vammoista toipumista ja poistaisi vaikeita, muutosta vastustavia neurologisia häiriöitä.
Viimeaikaiset tutkimukset osoittavat, että tämä voidaan todellakin tehdä yksinkertaisesti manipuloimalla PNN:itä. Esimerkiksi eläimen pitäminen täydellisessä pimeydessä hidastaa PNN:ien kehittymistä näköhermosoluissa, mikä pitää auki kriittisen ajanjakson hermoston plastisuuden korjaamiseksi näköongelmien korjaamiseksi paljon pidempään. Kemialliset aineet ja geenimanipulaatio voivat myös heikentää PNN:itä ja avata uudelleen kriittisiä ajanjaksoja, ja tutkijat ovat tehneet tämän saadakseen hiiret unohtamaan muistot, jotka aiheuttivat niille PTSD:n (heidän tapauksessaan muistot sähköiskusta, joka annettiin heti äänen kuultuaan).
On myös mahdollista stimuloida PNN:ien kasvua. Tämä tapahtuu, kun joku juo alkoholia liikaa, mikä johtaa näiden verkkojen muodostumiseen riippuvuuteen liittyviin hermosoluihin. Päällysteen uskotaan suojaavan hermosoluja alkoholin kemialliselta myrkylliseltä vaikutukselta, mutta se myös lukitsee ajatusprosessin, joka laukaisee ylivoimaisen halun juoda.
Vaikka neurotieteilijät ovat oppineet näistä PNN:ien näkökohdista viime vuosikymmeninä, PNN:ien vaikutus krooniseen kipuun oli odottamaton viimeaikainen löytö. Tämä työ, joka laajentaa verkkojen vaikutusta edelleen kriittisten ajanjaksojen ulkopuolelle, ei vain paranna ymmärrystämme kivun perustieteestä, vaan antaa meille myös paremman kuvan itse PNN:istä.
Krooninen kipu, joka jatkuu pitkään vamman jälkeen, kuvastaa muutosta hermosolujen piirissä, jota voi olla vaikea voittaa. Kun jotain sattuu, koko kehomme on mukana. Erikoistuneet kipuhermosolut koko kehossa välittävät hermoimpulsseja selkäytimeen, jossa ne välitetään aivoihin. Tämä tarkoittaa, että selkäytimellä on tärkeä rooli kiputuntemuksessamme; todellakin, lääkärit usein hallitsevat synnytyskipuja antamalla epiduraalia, joka sisältää anestesia-aineiden ruiskutuksen lannerangan selkäydintä ympäröivään tilaan, mikä estää hermoimpulssien pääsyn aivoihin.
Kuvittele nyt, jos hermovaurio tekisi hermosoluista yliherkkiä sen sijaan, että tukahduttaisivat hermovälityksen tässä vaiheessa. Jopa hellävarainen kosketus vaurioituneelle alueelle aiheuttaisi hermosolujen impulssien tulvan kulkemaan selkäydintä pitkin, mikä rekisteröidään voimakkaaksi kivuksi. Aiemmat tutkimukset tunnistivat useita mekanismeja, jotka voivat aiheuttaa tällaisen yliherkistymisen, mutta kukaan ei odottanut PNN:iden olevan mukana.
Muutama vuosi sitten Khoutorsky näki kuitenkin paperin, jossa kerrottiin, että PNN:t peittivät tiettyjä pieniä hermosoluja aivoalueella, jossa kiputietoa välitetään. Nämä "estävät interneuronit" muodostavat synapsseja kipuhermosoluihin, mikä heikentää niiden kykyä välittää kipusignaaleja. Khoutorsky pohti, voisivatko PNN:t tehdä jotain vastaavaa kriittisessä kivunvälityspisteessä selkäytimen sisällä, ja hän pyysi jatko-opiskelijaansa Shannon Tansleya tutkimaan asiaa. "Silloin ei tiedetty mitään", Khoutorsky sanoi.
Tansley todellakin havaitsi, että PNN:t peittivät tiettyjä hermosoluja selkäytimessä, missä se välittää kipusignaaleja aivoihin. Neuroneilla on pitkät aksonit ("häntä", joka lähettää signaaleja jonossa seuraavaan soluun), jotka osoittavat selkäytimestä aivoihin. Niihin on myös kiinnitetty joukko inhiboivia interneuroneja PNN:ssä olevien pienten reikien kautta, ja estävät neuronit voivat vaimentaa pitkien ulkonevien hermosolujen laukaisua, kutistaen aivoihin saapuvaa signaalia ja vaimentaen kivun tunnetta. Tansley huomasi yllätykseksi, että vain nämä selkäytimen välityspisteen estävät neuronit olivat päällystetty PNN:illä.
Tämä löytö inspiroi Khoutorskyn tiimiä suorittamaan kokeita laboratoriohiirillä selvittääkseen, olivatko nämä verkot jotenkin mukana kroonisessa kivussa ääreishermovaurion jälkeen. He leikkaavat oksia hiiren takajalkahermosta, joka tunnetaan nimellä iskias, kun se oli yleisanestesiassa. Tämä jäljittelee ihmisten iskiasvammoja, joiden tiedetään aiheuttavan jatkuvaa kipua. Päiviä myöhemmin Khoutorskyn tiimi mittasi hiiren kipukynnystä ei-haitallisilla testeillä, kuten ajoituksella, kuinka nopeasti se vetäytyi lämmitetystä pinnasta. Kuten odotettiin, tiimi näki, että hiiren näyttö lisäsi jyrkästi kipuherkkyyttä - mutta he huomasivat myös, että PNN:t ulkonevien hermosolujen ympärillä olivat liuenneet. Aivan kuten aivojen muutokset kriittisten ajanjaksojen aikana vaikuttavat PNN:iin, äkilliset muutokset hermovaurion jälkeen hiiressä olivat muuttaneet PNN:itä sen selkäytimen kipukierrossa.
Sitten ryhmä selvitti, mikä aiheutti verkkojen tuhoutumisen: mikroglia, aivo- ja selkäydinsolut, jotka käynnistävät korjaukset sairauden ja vamman jälkeen. Testaakseen mikroglian ja kivun välistä yhteyttä ryhmä kääntyi hiiriin, joissa ei käytännössä ollut mikrogliaa (mahdollista geenitekniikan avulla), ja suoritti saman leikkauksen. Näissä hiirissä PNN:t pysyivät ehjinä iskiashermoleikkauksen jälkeen, ja mikä on huomattavaa, hiiristä ei tullut yliherkkiä kivuliaille ärsykkeille. Yhteyden vahvistamiseksi ryhmä käytti erilaisia keinoja verkkojen liuottamiseen, mikä lisäsi hiirten kipuherkkyyttä.
Tämä osoitti, että PNN:t tukahduttivat suoraan kipuherkkyyttä. Mittaamalla synaptista lähetystä elektrodeilla Khoutorskyn tiimi jopa selvitti, kuinka se toimii. PNN:ien hajoaminen aiheutti ketjureaktion, joka johti lisääntyneeseen signalointiin ulkonevista neuroneista, jotka lähettävät kipusignaaleja aivoihin: Kun hermovaurioon reagoinut mikroglia hajotti PNN:t, tämä heikensi inhiboivien hermosolujen vaikutusta, jotka normaalisti vaimentavat hermosolujen laukaisua. aivojen projektiohermosolut. Estojarrujen menettäminen merkitsi karkaavaa hermostoa ja voimakasta kipua.
Microglia vapauttaa monia aineita, jotka aiheuttavat kipuhermosolujen yliherkkyyttä hermovaurion jälkeen, mutta niiden odottamattomalla vaikutuksella PNN:iin on suuri etu: spesifisyys. "Yleensä perineuronaaliset verkot lukitsevat plastisuuden ja suojaavat myös soluja", Khoutorsky sanoi. "Joten miksi nämä verkot ovat vain näiden kipuvälittäjähermosolujen ympärillä, eivätkä muiden [lähellä] olevien solutyyppien ympärillä?" Hän epäilee, että se johtuu siitä, että tämä selkäytimen kivun välityspiste on niin tärkeä, että nämä hermosolut ja niiden yhteydet tarvitsevat lisäsuojaa, jotta niiden kivun leviämisen hallinta on vahvaa ja luotettavaa. Vain jotain niin dramaattista kuin hermovaurio voi häiritä tätä vakautta.
"Tämän mekanismin kauneus on, että se on valikoiva tietyille solutyypeille", Khoutorsky sanoi. Mikroglia-aineet, jotka vapautuvat lisäämään hermolaukausta ja aiheuttamaan kipua hermovaurion jälkeen, vaikuttavat kaikentyyppisiin lähistöllä oleviin soluihin, mutta PNN:t peittävät vain nämä hermosolut juuri selkäytimen kriittisessä välityspisteessä.
Tutkimustyötä tehdään parhaillaan tämän uuden kroonisen kivun mekanismin ymmärtämiseksi paremmin. Jos tutkijat pystyvät kehittämään menetelmiä PNN-solujen rakentamiseksi uudelleen näihin hermosoluihin vamman jälkeen, se voisi tarjota uuden hoidon krooniseen kipuun – kiireellinen tarve, kun otetaan huomioon, että opiaatit, nykyinen ratkaisu, menettävät tehonsa ajan myötä ja voivat aiheuttaa riippuvuutta tai johtaa kuolemaan. yliannostus.
Se, mitä hermosolujen sisällä tapahtuu, on kiehtovaa ja tärkeää ymmärtää, mutta hermoverkostot muodostuvat yksittäisistä toisiinsa kytkeytyneistä neuroneista, ja tässä niiden välisessä tilassa oleva laiminlyöty rustosementti on elintärkeää.
