"Elektrisignaal on peamine, selles me ei kahtle ja teised mõjud on sellega võrreldes väga pisikesed. Eksperimentides on neid efekte aga mõõdetud. Peame aru saama, miks ning kuidas need tekivad ja kas neil on mingi füsioloogiline toime," sõnas Tallinna Tehnikaülikooli (TTÜ) küberneetika instituudi teadur Tanel Peets. Komplekssüsteemidele omaselt võib olla isegi tillukestel muutustel olla ootamatult suur mõju. Piltlikult ei võrdu üks pluss üks mitte alati kaks, vaid näiteks neli.

Üksikutele detailidele keskendumise asemel terviksüsteemi ette võtmine aitab avastada sügavamaid sõltuvusi, kinnitas TTÜ küberneetika instituudi teadur Kert Tamm. "Konnajalale lihtsalt särtsu andes saame kinnitada vaid fakti, et jalg seepeale liigub, kuid me ei tea, mille pärast see juhtub. Seda võib näha tihti tänapäeva meditsiinis – mingi ravim töötab, kuid inimkeha keerukuse tõttu selle algpõhjuseni ei jõuta. Meie üritamegi tabada oma tööga ära selliseid kausaalseid seoseid," selgitas Tamm. Kui kontrollitav seos on juba eos põhjuslik, on ka praktilised väljundid kiiremad tulema.

Närviimpulsi ABC

Praegune arusaam närviimpulsside vallandumisest ja levikust toetub suuresti enam kui 70 aasta eest hiidkalmaaridega tehtud katsetele. Andrew Huxley ja Alan Hodgkin näitasid, kuidas närviimpulsside tekkimise juures mängib võtmerolli kaaliumi- ja naatriumiioonide liikumine läbi rakumembraani. Puhkeolekus on laetud rakumembraani sisepind selles leiduvate valkude tõttu negatiivsemalt, kui seda ümbritsev keskkond. Lisaks sellele on rakus vähem naatriumiioone. Piisavalt tugeva välisärrituse mõjul olukord pöördub.

Naatriumkanalid avanevad ja ioonid tungivad rakku, misläbi muutub membraani sisepind positiivsemaks. Kasvava pinge ehk depolarisatsiooni mõjul avanevad kaaliumkanalid ja vastavad ioonid liiguvad rakust keskkonda. Kõige selle tulemusel on rakus rohkem naatriumioone ja keskkonnas kaaliumioone. Membraani polaarsus pöördub ja rakupotentsiaal on algsest isegi madalam.

Kontsentratsioonide vahe pealt saab levida enne algse olukorra taastamiseks tarvilikku puhkeperioodi kuni paarsada närviimpulssi. Potentsiaali muutuse graafikule kandes võib näha ikoonilist lainekuju.

Paar suutis kirjeldada katsetes nähtut ka matemaatiliselt. Närvikius närviimpulsi levikut kirjeldavat võrrandikogumit sai lahendada toona isegi mehaanilise vändaga kalkulaatori abil. "Hodgkin-Huxley mudel on olnud äärmiselt edukas ja ennustab täpselt mitmeid olulisi katseliselt nähtud nähtusi," sõnas Tanel Peets. Näiteks seda, et levima hakkava signaali kuju sõltub närvikiust, kuid mitte välisärritajast endast ja teatav puhkeperiood on närvirakkude jaoks hädavajalik.

Mudelil on siiski omad puudused. Täpsemad mõõtmised näitasid, et elektrisignaaliga kaasnevad mehaanilised lained nii närviimpulsse teiste närvirakkudeni juhtivate aksonite biomembraanis kui ka nendes sisemuses leiduvas aksoplasmas.

Samuti tõuseb plasma temperatuur suurusjärgus paarkümmend mikrokraadi. "Kui piisavalt kaua ja pingsalt mõelda, võib pea seetõttu tõesti umbes kraadi võrra soojemaks minna," muigas Kert Tamm. Taolisi mõjusid Hodgkin-Huxleyi mudelist tuletada ei saanud.

Kompleksmaailma võlud

Vaatamata võimalikule teeotsale, mille kaudu jõuda millegi uue ja täiuslikumani, on olnud teadlaste huvi teema vastu seni tagasihoidlik. "Kui oled harjunud Hodgkin-Huxley mudeliga ja lineaarse maailmapildiga, võivad tunduda need väikesed mehaanilised efektid tähtsusetud. Komplekssüsteemidega rohkem tuttav olles võid aga arvata, et need väikesed mõjud võivad olla signaali leviku seisukohalt oluliselt," arutles Tamm. Samas tunnistas ta, et avatud mõttelaadiga saab minna üle võlli.

Peets, Tamm ja akadeemik Jüri Engelbrecht ammutasid oma mudeli loomisel inspiratsiooni Taani teadlastelt. "Nende revolutsioonilise idee põhjal on kogu närviimpulss tegelikult mehaaniline laine. Aksonite membraani moodustav lipiidikiht teeb faasisiirde ja biomembraani tiheduse muutusega kaasneb elektriimpulss. Loomulikult see idee väga populaarne ei ole ja seda ei usu meiegi," selgitas Tanel Peets.

Praeguse arusaama järgi saab toimuda selleks tarvilik faasisiire 27 °C juures. Nii madala kehatemperatuuriga inimesed on sarnaselt paljudele teistele loomadele reeglina surnud.

Küll aga kütkestas neid Taani töörühma kasutatud võrrand, mis lubas lahendina solitone. Taolised lained võivad levida muutumatul kiirusel pikkade vahemaade taha oma kuju muutmata. Veider käitumine ilmneb, kui levimiskeskkonna omadused on mittelineaarsed, kuid lained oma loomupärase omaduse tõttu hajuda püüavad. Kui kaks sellist solitoni teineteist mõjutavad, ei pruugi olla tulemus lineaarne ehk 1+1 võrduda kaks. Piltlikult tekib peaaegu vaiksel veeväljal äkitselt paate uputav mõrtsuklaine.

Mitmetahulisem vaatenurk

Tallinna Tehnikaülikooli teadlased otsustasid taanlaste ehk Heimburg-Jacksoni mudelit päris elus nähtava paremaks kirjeldamiseks täiustada. Kui see arvestas vaid elastsete efektidega, siis Eesti teadlaste võrrand tuli toime ka inertsiga. Järgmise ja auahnema sammuna panid Peets, Tamm ja Engelbrecht kõik teadaoleva kokku ühte mudelisse. See kirjeldas ühtaegu nii aktsioonipotentsiaali ja ioonvoolu, aksoplasma rõhulaine, biomembraani mehaanilise laine kui ka temperatuuri koosmõju.

Elektrisignaal tekitab mudeli põhjal pikisuunalise signaali aksoni seinas, millega kaasneb toru seinas ristlaine. Kuna toru seina kuju muutub, tekib toru sees rõhulaine. Vastavalt sellele, kuidas aksoplasmat kokku surutakse ja see oma algselt kuju taastab, muutub plasma temperatuur. Temperatuuri modelleerimiseks kasutatakse sisemuutujaid, mis tulenevad pideva keskkonna termodünaamikast. Viimast saavad mõjutada sisemuutujate kaudu lisaks keemilised reaktsioonid.

"Lihtsamalt tekib alguses elektrisärts ja seejärjel seosjõudude kaudu kõik muu. Lõpuks saame täieliku laineansambli," sõnas Kert Tamm. Olulisena on lubatud mudelis tagasiside ehk mehaanilised lained saavad mõjutada omakorda närviimpulssi ja ioonvoolu.

Iga liige on mudelis põhjendatud. "Põhilised füüsikareeglid kehtivad. Lainevõrrand on sisuliselt jäävusseadus. Kui peame arvestama soojusega, ei saa üle Fourier' soojusjuhtivuse seadusest," selgitas Tamm.

Järgmised horisondid

Vastavalt vajadusele ja kontrollitavale oletusele saab mudelisse seosjõude lisada ja neid sealt eemaldada. "Tavaliselt keskendutatakse üksikutele ioonkanalitele ja väikestele detailidele, sest närviimpulsi levikuprotsessi tervikuna peetakse liiga keeruliseks. Meie võtsime sammu tagasi ja üksikasjadest nii palju ei hooli. Samas on meil kõik olulised klotsid kõrvuti ja saame vaadata, kuidas need kokku sobivad," sõnas Kert Tamm. Arvutimudelis erinevate suuruste muutmine aitab aitab jõuda põhjuslike seoste jälile.

Ideaalis asuvad seejärel leitud seejärel seaduspäraste reaalsust kontrollima eksperimentaatorid. "Füüsikas on reaalsuse mõõdupuu eksperiment," kinnitas Tanel Peets. Osad lahendid võivad olla puhtalt matemaatilised miraažid, millel pole päriseluga mingit pistmist. Näiteks saavad need tekkida juhul, kui kolmemõõtmelises struktuuris – näiteks aksonis – toimuvat üritatakse arvutusvõimsuse säästmiseks lihtsustada.

Teadlastel jätkub mudelite koostamisel arenguruumi mujalgi. Siiani tehtud töödes on käsitletud aksoneid peamiselt elektrit juhtivate ja isoleerimata torudena. Sama tegid oma mudelit tuletades Andrew Huxley ja Alan Hodgkin. Päris maailmas on kaetud need peaaegu täielikult isoleeriva müeliinikihiga. See võib mõjutada omakorda elektrisignaali leviku peensusi ja selle kaudu omakorda inimeste füsioloogiat.

Liiatigi on hakatud nägema müeliinikihti viimasel kümnendil mõnevõrra teises valguses. Varasemalt arvati, et see katab aksoneid kindla perioodilisusega. Rottide ajukoort uurides on aga leitud, et kihtide pikkused on erinevad. Nõnda võib kahtlustada, et see mängib rolli selles, kuidas on eri neuronivõrgustikud ajus ühendatud ja omavahel sünkroniseeruvad. See omakorda jätaks jälje aju plastilisusele ja õppimisvõimele.

Muutused närviimpulsside levikus võiks olla seotud seega teatud haiguslike seisunditega. Sellele rahuldava selgituse pakkumine nõuab täiendavaid alusuuringuid. Enne seda jääb see vaid üheks ideeks tunnustatud psühhiaatria piirialadel.

"Järjest on hakanud tulema ka artikleid, kus üritatakse sellesama mehaanilise laine mõõtmise kaudu mõõta elektriimpulsside levikut. See oleks suur samm edasi, sest praegu tuleb teha seda invasiivselt," märkis Peets. Täppismõõtmiste tegemiseks tuleb torgata elektroodid kehas närvirakkudele nii lähedale kui võimalik.

Nii Tamm kui ka Peets rõhutasid, et tegelevad ise eeskätt matemaatikaga. Nõnda on raske ennustada, mis närviimpulsside leviku vallast tehtavast tööst lõpuks välja kasvab. "Sellest kohast, kus me praegu oleme, on praktiliste rakendusteni vähemalt paar doktoritööd ehk paarkümmend tuhat inimese töötundi. Kui need kaks-kolm doktoritööd ära teha, saab ehk äärmuslikul juhul teha näiteks metamaterjalidesse mingit sorti sünteetilisi neuroneid," sõnas Tamm.

Esmajoones tuleks pidada meeles seega teist moraali. "Meil ei tasu arvata, et keskkoolis või bakalaureuseastmes õpitav on lõplik tõde. Tegelikult muutub maailm pidevalt mitmekihilisemaks ja keerukamaks vastavalt sellele, kuidas uusi avastusi juurde tuleb ja meie võimalused maailma uurimiseks avarduvad," sõnas Peets.

Monograafia avaldas kirjastus Springer.