Migreeni on neurologinen sairaus eli se liittyy hermostoon1. Vaikka kohtausten syntymekanismia ei täysin ymmärretä, tiedetään siitä kuitenkin paljon. Aloitankin tällä kirjoituksella pidemmän kirjoitussarjan, joka tähtää kansantajuistamaan migreenin syntymekanismia sekä migreenikoilla tiedettäviä geneettisiä eroja. Yritin aloittaa kirjoittamisen migreenikkojen hypersensitiivistä aivoista ja siitä mitä se tarkoittaa, mutten päässyt kovin pitkälle kaivautumatta ensin siihen, miten hermosolut viestivät keskenään, joten aloitan kirjoitussarjan esittelemällä hermosolujen viestintämekanismia eli hermoimpulssin johtumista. Tämä kirjoitus perustuu pitkälti teokseen Ihminen – Fysiologia ja anatomia2, jota käytetään mm. Helsingin yliopiston Ravitsemusfysiologian kurssin yhtenä kurssikirjana. Kirjoituksen loppuun olen linkannut todella hyvän englanninkielisen videon, jossa hermosolujen viestintä selitetään selkeästi hyvin tehdyn animaation avulla.
Huomioithan, että olen parhaani mukaan yrittänyt kirjoittaa tekstin niin, että sen ymmärtäisi ilman minkäänlaista aikaisempaa tietämystä ihmisen elimistön tai hermoston toiminnasta. Tämä on varmasti johtanut siihen, että tekstissä on yleistyksiä, karkeita termejä ja mutkia suoristavia prosessikuvauksia. Lisäksi teksti painottaa niitä näkökulmia, joihin migreenikoilla olevien erojen tiedetään tai epäillään liittyvän (esim. Na-K-pumppu3). Teksti ei siis missään nimessä ole kaikenkattava eikä sitä tulisi lukea siitä näkökulmasta. Tekstin lopussa on lyhyt yhteenveto siitä mikä (minun mielestäni) on migreenin ja tämän kirjoituksen jatko-osien kannalta keskeistä tietoa.
Hermosto ja hermosolut
Ihmiselimistö koostuu useista erilaisista järjestelmistä, joista hermosto vastaa elimistön sisäisestä, nopeutta vaativasta tiedonvaihdosta. Hermosto koostuu kahdesta osasta: keskushermostosta ja ääreishermostosta. Keskushermosto koostuu aivoista ja selkäytimestä, kun taas ääreishermosto koostuu selkäydin- ja aivohermoista sekä niiden jatkeista. Migreenikohtauksen käynnistyminen on paikannettu keskushermostoon, tarkemmin aivorungon tumakkeisiin1.
Hermoston eri osat rakentuvat hermosoluista ja hermotukisolusta. Keskushermostossa hermosolut ovat kiinnittyneet toisiinsa ja muodostavan laajan verkoston. Hermosolu koostuu kolmesta pääosasta, josta tämän kirjoituksen kannalta keskeisiä ovat tuojahaarake (dendriitti) ja viejähaarake (aksoni). Nimensä mukaisesti tuojahaarake on se osa, joka vastaanottaa muiden hermosolujen lähettämät viestit ja tuo ne tiedoksi. Viejähaarake taas se osa, joka välittää näitä viestejä eteenpäin muille soluille. Viejähaarake voidaan jakaa tarkemmin eri osiin, joista tämän tekstin kannalta keskeisiä ovat myeliinitupet ja niiden väliin jäävät kuroumat.
Hermoimpulssin eli aktiopotentiaalin kulkeminen hermosolussa
Tuojahaarakkeen päässä on reseptoreita, joihin hermosolujen lähettämät kemialliset aineet voivat sitoutua. Sitoutuminen avaa tuojahaarakkeessa olevia ionikanavia, jolloin hermosolujen ulkopuolisessa nesteessä olevia ioneja voi siirtyä hermosolun sisälle ja hermosolussa olevia ioneja voi siirtyä solun ulkopuolelle. Ionit ovat hiukkasia, joilla on joko positiivinen tai negatiivinen sähköinen varaus. Ionikanavat taas ovat solun hermosolun pinnan läpäisevä ”putkia”, jotka mahdollistavat ionien liikkumisen solun ulkopuolelta sen sisälle ja toisin päin. Ionit liikkuvat ionikanavia pitkin vain siihen suuntaan, joka tasaa solun ulkopuolella ja sisäpuolella vallitsevaa kyseisen ionin pitoisuuseroa. Esimerkiksi natriumioneja (Na+) on huomattavasti enemmän solun ulkopuolisessa nesteessä kuin solun sisällä, joten natriumkanavien aukeaminen tarkoittaa, että natriumioneja siirtyy solun ulkopuolelta solun sisäpuolelle. Tällainen siirtymä, joka tapahtuu pitoisuuseroja tasaavaan suuntaan, ei vaadi energiaa toteutuakseen.
Tuojahaarakkeen reseptoreihin sitoutuvat kemialliset välittäjäaineet siis avaavat hermosolun pinnan läpäiseviä ionikanavia, mikä johtaa ionien siirtymiseen solun ulkoisen nesteen ja hermosolun sisäosan välillä. Koska tuojahaarakkeeseen on yhdistynyt lukuisia muita hermosoluja, voi se saada samanaikaisesti sekä toisiaan vahvistavia että toisiaan heikentäviä kemiallisia viestejä. Näiden viestien yhteisvaikutus määrittää sen, kuinka paljon ja mitä ioneja hermosolun sisään virtaa ja sieltä poistuu.
Ionien siirtyminen hermosolun sisä- ja ulkopuolen välillä muuttaa niiden välistä sähköistä jännitettä (nk. kalvojännite). Lepotilassa hermosolu on negatiivisesti varautunut verrattuna sen ulkopuoleen. Tällöin sen kalvojännite on negatiivinen. Kun kemiallinen viestiaine avaa natriumkanavan, virtaa solun sisälle positiivisesti varautuneita natriumioneja, mikä johtaa hermosolun kalvojännitteen muuttumiseen, koska positiivisesti varautuneiden ionien määrä hermosolussa lisääntyy. Yhden kanavan avautuminen ei vielä muuta kalvojännitettä merkittävästi, mutta jos viestin vahvuus on riittävän suuri, avautuu useita ionikanavia ja huomattava määrä positiivisia natriumioneja pääsee solun sisälle. Tällöin kalvojännite ylittää ns. kynnysarvon, mikä tarkoittaa, että aktiopotentiaali eli hermoimpulssi laukeaa. Kansankielellä siis kyseinen hermosolu on tulkinnut saamansa viestin olevan riittävän vahva ja päättää viedä sen eteenpäin seuraaville soluille. Tiedonvälitys tapahtuu sen toista keskeistä osaa, viejähaaraketta eli aksonia, pitkin.
Aktiopotentiaali eli hermoimpulssi kulku siis käynnistyy, kun hermosolun jännite muuttuu positiivisemmaksi ionikanavien avautumisen ja solun sisään tulevien natriumionien myötä ylittäen tietyn kynnysarvoon. Tämän kynnysarvon ylittäminen johtaa jänniteherkkien natriumkanavien aukeamiseen viejähaarakkeen alkupäässä, jolloin siihen virtaa positiivisesti varautuneita natriumioneja. Positiivisten natriumionien lisääntyminen ja tätä kautta viejähaarakkeen positiivisempi sähköinen jännite aiheuttaa ketjureaktiomaisen tapahtumasarjan, jossa positiivinen jännite avaa viejähaarakkeen seuraavana olevat jänniteherkät natriumkanavat, joita pitkin uusia natriumioneja tulee viejähaarakkeeseen ja tämä käynnistää taas viereisten kanavien aukeamisen. Näin aktiopotentiaali etenee viejähaaraketta pitkin. Viejähaarakkeessa olevien jänniteherkkien natriumkanavien avautuminen johtaa niin suureen määrään positiivisia natriumioneja viejähaarakkeen sisällä, että sen jännite muuttuu positiiviseksi verrattuna solun ulkopuoliseen nesteeseen. Jänniteherkät natriumkanavat pysyvät vain hetken aikaa avoinna, minkä jälkeen viejähaarakkeessa sijaitsevat jänniteherkät kaliumkanavat avautuvat. Kaliumia on huomattavasti enemmän hermosolun sisällä kuin sen ulkopuolella, mikä johtaa sen virtaamiseen pois solusta. Tämä pienentää hermosoluun syntynyttä positiivista jännitettä.
Samanaikaisesti kun jänniteherkät kaliumkanavat ovat auki, viejähaarakkeen pinnan läpäisevät natrium-kalium-pumput palauttavat solun sisältä natriumioneja ulos ja kaliumioneja sisään. Koska natrium-kalium-pumppu siirtää natrium- ja kaliumioneja niiden luontaista pitoisuuseroa vastaiseen suuntaan, tarvitsee pumppu toimiakseen energiaa. Pumppu siirtää aina kolmea ulosmenevää natriumionia kohden sisään vain kaksi kaliumionia, mikä osaltaan vähentää aksonin positiivista jännitettä. Lisäksi kaliumkanavat pysyvät natriumkanavia pidempään auki, mikä yhdessä natrium-kalium-pumpun toiminnan kanssa johtaa siihen, että solun jännite-ero palautuu negatiiviseksi ja hetkellisesti jopa hieman lähtötilannetta suuremmaksi. Kun jännite-ero palautuu lähtötasolle, hermosolu on valmis lähettämään uuden viestin vastaavalla tavalla.
Edellä kuvatun kaltainen prosessi, jossa jänniteherkät natrium- ja kaliumkanavat avautuvat sekä natrium-kalium-pumppu aktivoituu, tapahtuu vain viejähaarakkeen kuroumissa. Kuroumat ovat viejähaarakkeen pituudesta vain pieni osa ja suurempi osa siitä koostuu myeliinitupeista. Kurouman jännitteen muutos ikään kuin ”hyppää” myeliinitupen läpi ja jatkaa matkaa edellä kuvatulla tavalla seuraavassa kuroumassa. Hyppääminen tarkoittaa, että natriumioneja siirtyy myeliinituppeen, jossa on valmiina natriumioneja, jotka ikään kuin törmäävät toisiinsa siirtäen natriumioneja eteenpäin ja lopulta myelinitupen toisen pään läpi seuraavaan kuroumaan. Tämä myeliinitupen läpäisevä prosessi on äärimmäisen nopea, jopa yli 100 m/s, mistä johtuen vaikuttaa siltä, että jännite hyppäisi myeliinitupen läpi.
Lopulta hermoimpulssi saavuttaa viejähaarakkeen pään, jossa jänniteherkät kalsiumkanavat avautuvat ja päästävät sisään kalsiumioneja (Ca2+). Tämä johtaa hermosolussa sijaitsevien välittäjäaineita sisältävien kalvopussien siirtymiseen solun reunalle, jolloin kalvopussi tyhjentää välittäjäaineet synapsiin. Synapsi on kahden hermosolun välissä sijaitseva tila, jota pitkin kemialliset viestiaineet kulkevat. Seuraavan hermosolun reseptorit vastaanottavat välittäjäaineen ja viestiketju alkaa alusta.
Alle olen upottanut hyvän englannin kielisen videon, jossa yllä kuvaamani asia on selitetty animaatioiden avulla. Löysin itse videon Queenslandin yliopiston sivuilta, mutta sen alkuperäinen tekijä on Osmosis-oppimiskeskus.
Yhteenveto
Palaan seuraavassa tämän aihepiirin kirjoituksessa siihen, millaisia eroja migreenikoilla on havaittu hermosolujen viestintään liittyen ja miten erot ilmenevät. Migreenin näkökulmasta tässä artikkelissa keskeistä oli:
- Migreeni on neurologinen eli hermostoon liittyvä sairaus, joka on paikannettu erityisesti keskushermostoon. Keskushermostossa on hermosoluista, joiden tehtävä on välittää kehossa nopeita viestejä, kuten esimerkiksi aistihavaintoja.
- Hermosolusta toiseen tieto kulkee kemiallisten välittäjäaineiden avulla. Kalsiumionien siirtyminen jänniteherkkiä kalsiumkanavia pitkin hermosolun sisälle aiheuttaa kemiallisen välittäjäaineen vapautumisen synapsirakoon, jossa ne sitoutuvat seuraavan hermosolun reseptoreihin.
- Välittäjäaineiden sitoutuminen reseptoreihin avaa kohdesolun jänniteherkkiä natriumkanavia, mikä johtaa natriumionien siirtymiseen hermosolun sisälle. Riittävän suuri määrä niitä laukaisee hermoimpulssin.
- Hermoimpulssin kulkiessa hermosolua pitkin natriumionit siirtyvät jänniteherkkiä natriumkanavia pitkin hermosolun sisään, jonka jälkeen kaliumionit siirtyvät jänniteherkkiä kaliumkanavia pitkin hermosolusta ulos. Samanaikaisesti energiaa vaativat natrium-kalium-pumput siirtävät natriumioneja takaisin hermosolun ulkopuolelle ja kaliumioneja sisäpuolelle.
- Natrium- ja kaliumionit ovat sähköisesti varautuneita, mikä tarkoittaa, että hermoimpulssi kulkee hermosolun sisällä sähköisenä jännitteenä.
Lähteet:
1 Seppo Soinila & Markku Kaste. Neurologia -verkkokirja. Kustannus Oy Duodecim. EAN/tuotenumero: 9789516565937. Viitattu 21.6.2021.
2 Olav Sand, Oystein V. Sjaastad, Egil Haug, Jan G. Bjålie & Kari C. Toverud. 2011. Ihminen – Fysiologia ja anatomia. Sanoma Pro Oy. 8.–14. painos. ISBN: 978-952-63-0898-2.
3 Noah B Gross, Nastaren Abad, David Lichtstein, Shiri Taron, Lorena Aparicio, Alfred N Fonteh, Xianghong Arakaki, Robert P Cowan, Samuel C Grant, Michael G Harrington. 2019. Endogenous Na+, K+-ATPase inhibitors and CSF [Na+] contribute to migraine formation. PLoS One. Saatavissa: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/31173612/