Analys: hur hjärnan fungerar

En familj finner ofta lättare att acceptera Alzheimers patientens kognitiva problem än sina beteendeproblem, vilket kan göra att patienten verkar medvetet samarbetsvillig, elak, eller helt enkelt betyda. Men båda typer av problem är en följd av sjukdomen. En närmare titt på hjärnan avslöjar hur minne, intellektuella förmågor, känslor och beteenden hänger samman och hur de blir frånkopplad i Alzheimers sjukdom.

Ett makro bild av hjärnan

Neuroforskaren Paul MacLean myntade begreppet "treeniga hjärnan" för att beskriva vad han ses som tre separata men sammanlänkade nivåer i den mänskliga hjärnan: hjärnstammen (och cerebellum), det limbiska systemet och hjärnbarken. Ett omfattande tvåvägs nätverk av nerver kopplar dessa tre nivåer i hjärnan. Pågående kommunikation mellan hjärnbarken och det limbiska systemet oupplösligt länkar tänkande och känslor (se figur 2). Var och en påverkar den andra, och både direkt alla frivilliga insatser. Detta samspel mellan minne och känslor, tanke och handling är grunden för varje individs unika personlighet.

Hjärnstammen och lillhjärnan

Arbetar med den första nivån, dessa två primitiva strukturer styr grundläggande överlevnad. Hjärnstammen övervakar vitala funktioner såsom hjärtslag och kroppstemperatur, och lillhjärnan orchestrates rörelse.

Det limbiska systemet

Inbäddat djupt inne i hjärnan är det limbiska systemet, den andra nivån av MacLeans "treeniga hjärnan." Denna triangellänkar formade komplex av nervcentra finns i alla däggdjur. Det limbiska systemet kopplar känslor och beteende, eftersom många vetenskapliga experiment och observationer av personer med hjärnskador har visat. Stimulera ett område av det limbiska systemet producerar känslor av ilska och aggression, och samtidigt stimulera ett annat område uppmanas känslor av njutning och avkoppling. Det limbiska systemet är gränssnittet mellan våra djur enheter och de begränsningar av civilisation, mellan irrationella impulser och praktiska beslut, mellan råa känslor och rationellt beteende.

Det limbiska systemet har en annan viktig funktion: det är central för minne och inlärning. Även minnen inte lagras på en enda plats, diskreta strukturer inom det limbiska systemet orkestrera minnesbildande. Dessutom är dessa strukturer bearbeta olika typer av minne. Hippocampus, till exempel, är aktiv i omvandling av information till långtidsminnet och i minne minns. Upprepad användning av specialiserade nervnätverk i hippocampus ökar minneslagring, så denna struktur är inblandad i att lära från både alldagliga upplevelser och avsiktlig studie.

Skador på hippocampus och dess nerv-anslutningar kan orsaka minnesförlust (oförmåga att lära sig och sedan välja någon ny information). Personer med minnesförlust inte kan bilda nya långsiktiga minnen, och de glömmer informationen snart efter att de hör eller ser det. Till exempel har forskare funnit att patienter med minnesförlust kan fortsätta att göra saker som att spela pjäser och de brukade (eftersom det var en färdighet som förvärvades under åren genom praktik), men de kan inte komma ihåg namnet på sin motståndare.

Men inte alla upplevelser i en människas liv är outplånligt etsad i minnet, det är inte heller nödvändigt att behålla varje bit av information som man möter. Det är där känslor in i minnesprocessen. Vissa neuroforskare tror hippocampus hjälper välja vilka minnen lagras, kanske genom att fästa en "känsla markör" till vissa händelser eller annan information så att de är mer benägna att återkallas.

Amygdala, som sitter bredvid hippocampus, är bekymrad med en annan storleksordning av emotionellt minne: det kommer in i situationer som väcker känslor som rädsla, ilska, medlidande, eller upprördhet. Forskare har upptäckt att minnen som har en känslomässig komponent är mer sannolikt att finnas kvar. Men skador på amygdala kan avskaffa en känsloladdade minne.

Hjärnbarken

Den tredje nivån i hjärnan är hjärnbarken, som brukar kallas den "grå materia." De hjärnhalvorna innehåller två specialiserade områden, en tillägnad frivillig rörelse och en att bearbeta sensorisk information. Men de flesta av den grå massan är föreningen cortex, som blir allt större eftersom djuren flytta upp den evolutionära stegen. Föreningen cortex är den region av medvetet tänkande: det är där du lagrar minne och språkkunskaper, bearbeta information, samt utför kreativt tänkande.

En mikro bild av hjärnan

På nära håll, är hjärnan ett nät av sammankopplade celler som kallas neuroner. Hur dessa celler kommunicerar och vad som händer när dessa celler dör utgör grunden för vår förståelse av hjärnans sjukdomar.

Hur hjärnceller kommunicerar

Neuron är hjärnans grundläggande enheten för att bearbeta data. Den mänskliga hjärnan innehåller otroligt många nervceller - cirka 100 miljarder, ge eller ta 10 miljarder. Neuron är en unik cell i aktivitet och utseende. Det genererar både elektriska och kemiska signaler, vilket gör det möjligt att kommunicera snabbt med avlägsna neuroner. I stället för den kompakta formen är typisk för andra celler i kroppen, är neuron som en ek med gigantiska grenar utsträckta. Varje neuron har en kropp som innehåller en kärna, en lång fiber som kallas en axon, och många kortare förgrenings fibrer som kallas dendriter.

Neuron är både en mottagare och en sändare. När en neuron tar emot en signal, den genererar en elektrisk impuls. Denna impuls färdas genom neuron och ner axonet till dess slut (axonet terminal). Signalen ledes därefter vidare till andra neuroner. Sett under mikroskop, neuroner ser ut som en tät skog av träd vars grenar är så tätt sammanflätade att de verkar röra. Men när uppgifterna är markerade med en silverfärg, är det klart att varje cell är skild från sina grannar med små luckor som kallas synapser. Eftersom den elektriska signalen inte kan överbrygga detta utrymme, är någon annan mekanism som krävs för att en neuron att kommunicera med sina grannar. Det är där neuron kemiska signalen kommer in

Lagras i axonet terminalen är kemiska budbärare som kallas signalsubstanser. Den elektriska impuls öppnar små porer i axonet terminalen, vilket gör att en leverans av signalsubstanser att strömma in i synapsen (se figur 3). Den kemiska fäster till receptorer på en närliggande neuron. Vad händer beror på huruvida signalsubstansen har en spännande eller hämmande effekt på neuron.

En excitatoriska neurotransmittorn passerar meddelandet på genom att skapa en elektrisk impuls i den cell som tar emot den, och processen för elektrisk-till-kemiska signalering upprepas. Men om en impuls skulle sändas till varje neuron i hjärnan, skulle resultatet bli kaos, ungefär som ett strömavbrott kan orsaka kortslutning, neuroner avfyrar på en gång skulle orsaka en långvarig epileptiskt anfall. För att skydda mot detta händer, hämmande signalsubstanser trycka kommunikation till närliggande nervceller.

Av de mer än 20 kemiska budbärare upptäckts hittills, några är ganska väl förstådd. Flera av dem är inblandade i minnet, inklusive acetylkolin, serotonin och dopamin. Många av dessa signalsubstanser har ytterligare funktioner, till exempel hjälper serotonin reglerar sömn och sensorisk perception, medan dopamin hjälper till att reglera rörelsen.

Som biologiska processer går, är hastigheten på tanken snabb (men långsam jämfört med en dator). Elektriska impulser i vissa nervceller nå hastigheter på nästan 200 mph, och överföring från cell till cell tar ungefär en tusendels sekund. Dessutom kan en nervcell har mer än 1000 synapser och, med en enda impuls, kan sända samtidigt till alla sina grannar.

När nervceller dör

Det enorma antalet neuroner och synapser i en normal hjärna ger en till synes oändlig förmåga att bearbeta information, samt en säkerhetsmarginal i det fall några förstörs. Men i Alzheimers sjukdom, grossist förstörelsen av nervceller eliminerar detta skyddsnät, särskilt i de områden som är involverade i minne och kognition - föreningen cortex, det limbiska systemet, och deras anslutande nervnätverk. Trots att forskning visar att en dag kan det vara möjligt att locka nya nervceller att växa (se "Nervcellförnyelsen"), vid denna punkt en sådan bedrift är omöjligt.

Alzheimers lämnar två udda typer av insättningar i dessa områden. Inne i nervceller i en Alzheimers patient är nystan, hårliknande proteinfibrer tvinnas tätt ihop som garn. Ligga utanför nervceller, nära synapser, är neuritplack, som består av ett protein kärna som kallas beta-amyloid (även kallad en-beta eller ass) omgiven av skräp från degenererande nervceller (se Figur 4). Dessa två funktioner - nystan och neuritplack - är utmärkande mikroskopiska underskrifter av Alzheimers sjukdom.

Dessa trassel och plaketter, först beskrevs av Alois Alzheimer 1907, har varit i fokus för forskning i årtionden, och av goda skäl: ju sämre mental försämring, är det mer amyloid och tovor som finns i hjärnvävnad. Den rådande uppfattningen bland neurologer brukade vara att dessa avlagringar orsakade de mentala förändringar i Alzheimers sjukdom.

Emellertid trassel och plack är inte unika för denna sjukdom. En del finns i andra demenssjukdomar, och några är utspridda i hjärnan hos friska medelålders och äldre människor. Studier visar nu att demens i Alzheimers patienter kommer från krympning och död av nervceller och synaptic förlust, och inte från trassel och plack själva. Vad som orsakar denna skada är oklart. Enligt den ledande hypotes kan små fragment av lösligt amyloid protein vara toxisk faktor, utlöser en kaskad av biokemiska händelser som gör att cellerna krymper och dö.

Med framsteg inom teknik gör det möjligt för dem att räkna nervceller, neuroforskare kunde avgöra denna troliga orsaken till demens genom att undersöka hjärnvävnad från 10 personer med normal hjärnfunktion som dog efter 60 års ålder. Samtliga prover innehöll ungefär lika många nervceller i ett område i föreningen cortex rikt försedd med nerver från det sensoriska området. För första gången har forskare hade en standard för att definiera hur många neuroner var "normal" i den mänskliga hjärnan. Dessutom, detta fynd visade att neuronförlust var inte en produkt av normalt åldrande.

Härnäst jämförde forskarna normala prover med hjärnvävnad från 10 personer med Alzheimers och upptäckte, i genomsnitt, en minskning av antalet nervceller 41%. Och ju längre demens hade varit närvarande, desto färre nervceller hittades. Det fanns också ett samband med nystan: personer med störst neuronförlust hade mer trassel, ca 95% av dessa var inne resterande nervceller. Emellertid förlust av nervceller var dramatiskt större än antalet av trassel.

Forskarna erbjöd "städning" som en möjlig förklaring till denna skillnad: molekyler som klart bort döda celler i kroppen tas bort så småningom tovor. När de räknade neuritplack, fann forskarna inget samband med vare neuron förlust eller sjukdomsduration, förstärker uppfattningen att neuronal dysfunktion och död orsakar demens. Trots trassel och plack fortfarande anses vara de diagnostiska kännetecknen för Alzheimers sjukdom, synaptiska förlust och neuron död korrelerar bäst med demens.

Experter tror också att minskade nivåer av signalsubstansen acetylkolin, en kemikalie som broar synapser mellan nervceller som påverkar minnet, också bidra till minnesförlust i Alzheimers sjukdom. I cortex och hippocampus, där denna signalsubstans behövs för minne och inlärning, acetylkolin-producerande neuroner (kallade kolinerga neuroner) är normalt rikligt. Men av de olika typer av nervceller som kan urarta i Alzheimers sjukdom, de kolinerga nervceller är särskilt hårt drabbade. Som acetylkolin produktionen faller i cortex och hippocampus, blir demens gradvis sämre. Vid tiden någon med Alzheimers sjukdom dör, kan cortex har förlorat 90% av sin acetylkolin.

Andra signalsubstansen avvikelser kan också vara närvarande. Minskade nivåer av serotonin och noradrenalin har hittats i en del personer med Alzheimers sjukdom. Skillnader mellan dessa och andra signalsubstanser kan förklara varför vissa patienter upplever känselstörningar, depression, sömnproblem, aggressivt beteende och humörsvängningar.