1800-luvun lopulla ja 1900-luvun alussa Santiago Ramón y Cajal osoitti ensimmäistä kertaa kuvissaan, että hermokudos koostuu monista erilaisista soluista, joilla on erityiset muodot ja yhteydet. Siitä lähtien neuroanatomia on kehittynyt huomattavasti: on koottu atlaksia, joissa solut on jaoteltu niiden toimintojen, rakenteen ja sijainnin mukaan – motorisista ja sensorisista soluista hippokampuksen tai hajukäävän erikoistuneisiin populaatioihin. Kaikesta monimuotoisuudesta huolimatta valtaosa soluista kuuluu kahteen perusluokkaan: kiihottaviin, jotka lisäävät seuraavan neuronin purkautumisen todennäköisyyttä, ja estäviin, jotka vähentävät sitä.
Kiihottamisen ja estämisen välisen suhteen on pysyttävä vakaana, muuten verkostojen toiminta häiriintyy. Ensimmäisen komponentin ylimäärä lisää epileptisten kohtausten riskiä, ja yleinen kiihottavan aktiivisuuden puute liittyy autistisen spektrin häiriöihin. Tasapainon ylläpitäminen on aivokuoren ja aivokuoren alla olevien rakenteiden keskeinen tehtävä, josta riippuvat havainnointi, toiminnan suunnittelu ja muisti.
Signaalien siirto tapahtuu kemiallisten välittäjäaineiden, neurotransmitterien, välityksellä, jotka vapautuvat synapsissa ja ovat vuorovaikutuksessa seuraavan solun membraanin reseptorien kanssa. Aivojen kiihottavat elementit käyttävät lähes aina glutamaattia: positiivisesti varautuneiden ionien tulo nostaa membraanipotentiaalia ja aiheuttaa aktiopotentiaalin – lyhytaikaisen sähköisen impulssin, joka leviää aksonissa. Jarruttavat elementit vapauttavat GABA: negatiivisesti varautuneiden hiukkasten saapuminen tai positiivisten poistuminen alentaa potentiaalia ja estää purkauksen syntymisen. Vaikutus määräytyy paitsi välittäjäaineen tyypin myös vaikutuskohdan perusteella: jotkut interneuronit vaikuttavat dendriitteihin, toiset somaattisiin soluihin, kolmannet koordinoivat toistensa vaikutusta.
Nisäkkäiden aivokuoressa on enemmän kiihottavia soluja, mutta evoluution myötä estävien populaatioiden tyypit ja tavoitteet ovat monimutkaistuneet huomattavasti. Pitkään niitä pidettiin taustalla vaikuttavana säätelymekanismina, koska niiden aktiivisuutta on vaikea tulkita: ne purkautuvat usein ja eri yhteyksissä, eikä niihin liittyvien elementtien reaktio aina ilmene näkyvinä purkauksina. Uudet tallennus- ja analyysimenetelmät antavat tarkemman kuvan: käyttäytymismerkityksellisissä tilanteissa purkausten tiheys voi vähentyä, mikä korostaa hyödyllistä signaalia; monien luokkien kohdevalinta on valikoivaa, mikä vahvistetaan projekteissa, joissa rekonstruoidaan yksityiskohtaisesti aivokuoren kudosta paikallisten mikrorakenteiden tasolla.
Merkittävä osa tiedoista on saatu spatiaalisissa oppimistehtävissä. Hippokampuksessa on helppo havaita paikallisten eksitatoristen solujen toiminta, jotka ovat aktiivisia reitin tietyissä pisteissä. Inhibiittoreiden osalta havaitaan muita säännönmukaisuuksia: palkkion odotusalueella impulssien taajuus vähenee, mikä vahvistaa tärkeän paikan koodaavien reittien aktiivisuutta. Tällainen dynamiikka viittaa inhibiittorien suoraan vaikutukseen tavoitteiden ja reittien nopeaan muistamiseen, eikä vain yleisen rajoituksen rooliin.
Tulee esiin kysymys aikatauluista. Sähkökemialliset tapahtumat kestävät millisekunteja, kun taas käyttäytymisvaikutukset kehittyvät sadoissa millisekunneissa ja sekunneissa. Osa epäsuhdasta selittyy kolmannella, harvinaisemmalla luokalla — modulaattorijärjestelmien neuroneilla. Ne erittävät aineita, jotka vaikuttavat pitkillä aikaväleillä ja laajoilla kudosalueilla: noradrenaliini, serotoniini, dopamiini ja muut neuromodulaattorit muuttavat reseptorien herkkyyttä ja herkkyyskynnyksiä muodostaen pitkäaikaisen verkostojen säätelyn. Esimerkiksi noradrenaliini vahvistaa kontaktien plastisuutta emotionaalisesti merkittävissä tilanteissa ja lisää episodien kiinnittymisen todennäköisyyttä pitkäaikaiseen muistiin.
Kolmen roolin erottelu auttaa järjestämään havainnot, mutta rajat eivät aina ole tiukkoja. On kuvattu tapauksia, joissa samoissa päätteissä on glutamaattia ja GABA:ta, mikä mahdollistaa postsynaptiseen soluun kohdistuvan vaikutuksen merkin muuttamisen verkon tilasta riippuen. Kroonisen stressin ja useiden patologioiden olosuhteissa havaitaan fenotyypin muutoksia, joissa aiemmin kiihottavat populaatiot ovat saaneet estävät ominaisuudet, mikä monimutkaistaa tilannetta paikallisten ketjujen tasolla.
Yksityiskohtaiset tyyppien ja yhteyksien kartat ovat vain askel kohti ymmärrystä siitä, miten verkostojen toiminta muuttuu ikääntymisen ja sairauksien myötä. Tarkat tasapainomallit, joissa otetaan huomioon estävien reittien kohdentaminen, neuromodulaattoreiden vaikutuksen aikataulut ja synaptisen plastisuuden erityispiirteet, ovat välttämättömiä toimintojen palauttamista koskevien lähestymistapojen kehittämiseksi. Näiden parametrien oikea säätö vaikuttaa sekä yksittäisen ihmisen elämänlaatuun että häiriöiden ennaltaehkäisyn onnistumiseen populaatiotasolla.
