Miten onnettomuus tai huumeet ja lääkkeet vaikuttavat aivoihin ja sen myötä ihmisen persoonallisuuteen ja käyttäytymiseen? Mitä aivoissa tapahtuu, kun ihminen suorittaa jotain tehtävää? Nykyaikaiset aivojen kuvantamismenetelmät avaavat ikkunan ihmisen pääkopan sisään.
Miten aivoihin voi nähdä?
Kognitiivinen neurotiede on kiinnostunut erityisesti siitä, miten hermosolut viestivät toistensa kanssa ja muodostavat keskenään erilaisia hermoverkkoja sekä näiden hermoverkkojen roolista kognitiivisissa toiminnoissa.
Hermoverkot ovat niin monimutkaisia, että ihminen ei pysty niitä rakentamaan, mutta yksinkertaistettuja matemaattisista malleista (neuroverkot, artificial neural nets) on joka tapauksessa hyötyä hermoverkkojen tutkimisessa ja ymmärtämisessä.
On hämmentävää ajatella aivojen kompleksisuutta. Ihminen on käynyt kuussa ja keksinyt mitä hienoimpia koneita, laitteita ja innovaatioita – mutta ihmisaivojen toimintamekanismia ja tehokkuutta emme ole pystyneet toisintamaan. Liekö koskaan pystymmekään?
Hermoverkkojen yhdistämät aivoalueet tekevät töitä yhdessä
Monet kognitiiviset toiminnot yhdistetään yksinkertaisuuden vuoksi usein tiettyihin yksittäisiin aivoalueisiin, mutta käytännössä aivot toimivat kuitenkin niin, että hermoverkoin toisiinsa yhteydessä olevat aivoalueet tekevät töitä yhdessä ja toisaalta yksi aivoalue on mukana monissa erilaisissa prosesseissa eikä vain jossain tietyssä yhdessä prosessissa.
Esimerkiksi kun ihminen lukee, aktiivisia alueita löytyy lähes kaikista aivojen osista: Näköaivokuorella käsitellään nähtyä sanaa, takaraivolohkon sivuosissa tunnistetaan sanahahmoa, ohimolohkon etuosissa prosessoidaan sanan merkitystä, kuuloalueilla tuumitaan, miltä sana kuulostaa, itse lukemistapahtuma näkyy liikeaivokuoren aktiivisuutena jne.
Ennen tutkittiin eläinten ja kuolleiden ihmisten aivoja
Hermoverkkojen matemaattisten mallien lisäksi aivojen kognitiivisten toimintojen tutkimisessa meitä auttavat erilaiset aivokuvantamismenetelmät, joiden merkitys elävien ihmisaivojen tutkimuksessa on ollut käänteentekevä:
Ennen näitä menetelmiä käytössä olivat eläinkokeet tai toisaalta kuolleiden ihmisten aivojen tutkiminen.
Elottomien aivojen avulla ei tietenkään pystytä saamaan selville, mitä toimivissa, jotain tiettyä tehtävää suorittavissa aivoissa tapahtuu tai mitä tapahtuu esimerkiksi silloin, kun aivot vaurioituvat tai kun aivojen toimintaa sekoittavat erilaiset kemialliset aineet.
Lue myös:
Aivot ja alkoholi
Yleisimpiä aivokuvantamismenetelmiä
Nykyaikaisia, paljon käytettyjä aivokuvantamismenetelmiä ovat mm. aivojen happipitoisuutta mittaava fMRI eli toiminnallinen magneettikuvaus, aivojen aineenvaihduntaa mittaava PET ja aivojen sähkökenttiä mittaava EEG.
Millainen maisema aivoihin avautuu, riippuu siitä, mitä kuvantamismenetelmää käytetään. Menetelmän valinta riippuu siis siitä, mitä sen avulla halutaan selvittää.
MRI (magnetic resonance imaging)
MRI eli tuttavallisemmin magneettikuvaus perustuu voimakkaiden magneettikenttien ja radiosignaalien käyttöön ja sillä tutkitaan aivojen rakennetta ja rakenteen muutoksia erityisesti harmaan aineen alueella.
MRI:n avulla aivoista saadaan korkearesoluutioisia viipalekuvia, ja näistä kuvista voidaan myös koota kolmiulotteinen kuva aivoista. MRI-kuvissa eri kudostyypit erottuvat toisistaan siksi, koska niissä on eri määrät vetyatomeja.
Paikallisesti MRI on erittäin tarkka, mutta aikatarkkuus vain noin sekunnin luokkaa. MRI-tutkimukseen ei voida ottaa henkilöitä, joilla on kehossaan metallia (mukaan lukien tatuoinnit) ja lapselle menetelmä voi olla vaikea, sillä se on erittäin herkkä liikkeelle.
DTI (diffusion tensor imaging)
DTI on niin ikään magneettikuvausmenetelmä, ja sillä pystytään kartoittamaan tarkasti aivojen hermoradat eli tutkimaan valkoista ainetta tarkemmin kuin mihin MRI pystyisi.
DTI-menetelmä perustuu vetyatomien liikkeiden suuntien tarkasteluun, minkä perusteella pystytään selvittämään, missä kohdissa ja mihin suuntiin hermoratoja aivoissa kulkee ja millaisia muutoksia valkoisen aineen rakenteessa tapahtuu vaikkapa uuden taidon harjoittelemisen yhteydessä.
MEG (magnetoencephalography)
MEG eli aivomagneettikäyrä on menetelmä, jolla tutkitaan aivojen toimintaa mittaamalla hermosolujen (pyramidisolujen) sähkömagneettisia kenttiä ja niissä tapahtuvia muutoksia. Tämä tehdään kypärällä, jossa on heliumin avulla lähellä absoluuttisen nollapisteen lämpötilaa (-273,15 °C) pidettäviä SQUID-antureita.
Menetelmän vahvuus on sen ajallinen tarkkuus eli sen avulla voidaan nähdä jopa alle sekunnin tuhannesosan tarkkuudella, millä hetkellä jokin prosessi aivoissa tapahtuu.
Kehon sisältämä metalli saattaa häiritä mittausta, vaikka ei olekaan vaarallista. Menetelmää voidaan käyttää vain magneettisesti eristetyssä huoneessa.
EEG (electroencephalography)
EEG mittaa aivojen sähkökenttiä, jotka muodostuvat isojen hermosolukimppujen aktivoinnin seurauksena sekä näiden sähkökenttien voimakkuuden muutoksia.
EEG-mittaus tapahtuu elektrodeilla, jotka laitetaan pään pinnalle. Aikatarkkuus on myös EEG-menetelmän vahvuus, mutta tarkasteltavan signaalin paikannus ei niinkään, sillä sähkökenttä leviää aivoissa laajalle alueelle.
EEG-menetelmä on edullinen eikä se vaadi mitään erityisenlaisia tiloja. Ympäröivät sähkölaitteet saattavat kuitenkin häiritä mittaamista.
Menetelmän haittapuoleksi voidaan katsoa myös, että itse mittaamistapahtuma kestää yleensä aika pitkään.
fNIRS (functional near-infrared spectroscopy)
fNIRS eli toiminnallinen lähi-infrapunakuvaus perustuu kudosten happipitoisuuden kuvantamiseen: aivokudos heijastaa valoa eri tavoin sen mukaan, kuinka paljon aivokudoksessa on happea.
Valon määrää mitataan sensoreilla. Vauvojen aivojen tutkimiseen tämä menetelmä toimii erityisen hyvin, sillä heidän ohuemman ihonsa ja kallonsa vuoksi takaisin heijastuvaa valoa on helpompi tarkastella.
fNIRS on melko kallis menetelmä. Se on myös herkkä liikkeelle ja esimerkiksi paksut hiukset haittaavat mittaamista.
PET eli positroniemissiotomografia
PET-menetelmällä voidaan tutkia aivojen aineenvaihduntaa verenkiertoon laitettavia radioaktiivisia merkkiaineita ja niiden hajoamista tarkkailemalla ja etsiä vastausta vaikkapa kysymykseen, miten jokin huume tai lääkeaine vaikuttaa aivoihin.
Taustalla on ajatus, että aktiiviselle aivoalueelle pumppautuu muita alueita enemmän verta – ja veren mukana merkkiainetta. Merkkiaineet tehdään erilaisiksi sen mukaan, mitä tutkitaan esimerkiksi niin, että ne sitoutuvat vain johonkin tiettyyn aivojen välittäjäaineeseen, kuten serotoniiniin tai dopamiiniin.
Haittapuolina PET-menetelmässä on radioaktiivisten isotooppien käyttö ja se, että menetelmä on invasiivinen silloin, kun ainetta joudutaan injektoimaan tutkittavaan henkilöön.
Isotooppien käyttö on kallista ja kalliiksi menetelmän tekee myös se, että sitä ei voida käyttää pelkästään vaan henkilö on aina myös MRI-kuvattava, jotta PET-kuvauksen tulokset saadaan kytkettyä aivojen rakenteeseen.
fMRI (functional magnetic resonance imaging)
fMRI eli toiminnallinen magneettikuvaus mittaa veren happipitoisuutta. Taustalla on oletus, että mitä enemmän jokin aivoalue aktivoituu, sitä enemmän se tarvitsee happea.
Menetelmän avulla on voitu mm. todeta eräässä tutkimuksessa, että puheen kuuleminen aktivoi tutkimukseen mukaan otetuilla koomapotilailla samat aivoalueet kuin ei-koomassa olevilla verrokeilla ja erilaisten kuvittelutehtävien avulla, että ko. koomapotilaat myös ymmärsivät kuulemansa.
fMRI on kuvantamismenetelmistä tarkin tarkasteltavan tapahtuman paikantamisessa: sillä päästään jopa millimetrin tarkkuuteen.
TMS eli transkraniaalinen magneettistimulaatio
TMS on menetelmä, joka ei niinkään mittaa aivojen toimintaa vaan sillä vaikutetaan aivojen toimintaan – ja sen myötä aivojen toimintaa voidaan tutkia.
Ajatuksena on joko estää tai aktivoida jonkin aivoalueen toimintaa. TMS-menetelmän avulla estäminen tai aktivointi pystytään rajaamaan erittäin pienelle alueelle.
Inspiraation lähde ja kiitokset innostavasta neuropsykologian luennosta Jyväskylän avoimessa yliopistossa:
Hämäläinen, J. (2016) Aivojen rakenne ja toiminta.
