Aivojen mysteeriä selvittämässä

31.1.2017

Akatemiatutkija Satu Palvan johtamassa tutkimuksessa etsitään vastauksia aivoverkkojen arvoituksiin. Mitä vaikutusta aivoalueiden välisillä vuorovaikutuksilla on työmuistiin, aistitietoisuuteen ja tarkkaavaisuuteen?

Aivotutkija Satu Palvan työpöydällä on kahvimuki. Kun havaitsemme mukin, aivoissamme tapahtuu prosessointia useassa paikassa. Aistiärsykkeen eri piirteet, kuten mukin paikka, muoto ja väri, käsitellään eri osissa aivoja. Silti prosessoitavasta informaatiosta muodostuu yksi yhtenäinen aistihavainto. Miten tämä on mahdollista?

Palvan mukaan aivojen kokonaisuus on yhä tutkijoille mysteeri. Aivojen eri osat tunnetaan jo varsin hyvin, mutta osien välisistä toiminnallisista kytköksistä tietoa ei juuri ole. 

Palva ryhmineen tutkii hänen akatemiatutkijakaudellaan (2013–2018) aivoalueiden välisiä interaktioita ja niiden vaikutusta työmuistiin, tarkkaavaisuuteen ja aistitietoisuuteen. Kyse on Palvan mukaan perustutkimuksesta, jonka avulla erilaisia neuropsykiatrisia sairauksia voitaisiin kenties ymmärtää paremmin.

”Melkein kaikissa aivosairauksissa työmuistin ja tarkkaavaisuuden häiriöt ovat todella yleisiä, mutta niistä ei tiedetä oikeastaan mitään.  Jos ymmärtäisimme paremmin aivoverkkojen mekanismeja, voisimme myös ymmärtää, mikä on ADHD tai miksi skitsofreniaan liittyy havainto-ongelmia.”

Työmuistin mekanismit aukenivat

Hankkeen merkittävin tutkimustulos valottaa tutkijoille työmuistin perustaa. Jo vuonna 2010 Palvan tutkimusryhmä julkaisi tuloksen, jossa todettiin, että työmuistitehtävän aikana synkronisia vuorovaikutusverkkoja esiintyy usealla eri taajuudella ja eri aivoalueiden välillä yhtä aikaa.

Eritaajuisilla aivorytmeillä tarkoitetaan käytännössä sitä, että aivoverkkojen hermosolupopulaatiot laukovat eri nopeuksilla: kymmenen kertaa sekunnissa laukova verkko on eritaajuinen kuin kuusikymmentä kertaa sekunnissa laukova verkko.

Uutta on nyt tieto siitä, että myös eritaajuiset synkroniset vuorovaikutusverkot voivat olla synkronoituja eli kytköksissä toisiinsa.

”Aiemmin oli oletettu, että ilmiö on olemassa, mutta nyt se ensimmäistä kertaa todistettu. Nyt myös tiedetään, että tällä eritaajuisten aivoverkkojen välisellä vuorovaikutuksella on merkitystä työmuistin kannalta.”

Työmuisti koostuu useista komponenteista, esimerkiksi informaation käsittelystä, tarkkaavaisuudesta ja emootioista. Kaikilla näillä komponenteilla on omat verkkonsa aivoissa.

”Se, että eritaajuiset aivoverkot ovat keskenään synkronoituja, voi olla mekanismi, joka koordinoi aivoverkkoja toimimaan yhteistyössä ja mahdollistaa näin informaation pitämisen työmuistissa. ”

Palvan tutkimusryhmä onnistui myös vahvistamaan, että eritaajuiset aivorytmit liittyvät erilaisiin ärsykkeisiin.

”Aiempi kirjallisuus aiheesta on ollut ristiriitaista. Nyt tiedämme, että nopeat aivorytmit liittyvät näköärsykkeiden käsittelyyn ja hitaammat esimerkiksi ajan arviointiin.”

Aivorytmit vaikuttavat suorituskykyyn havainto- ja työmuistitehtävissä

Tutkimuksen kohteena on myös aivorytmien suuruuden vaikutus yksilölliseen suorituskykyyn havainto- ja muistitehtävissä.

”Aivorytmin suuruudella tarkoitetaan sitä, kuinka voimakkaasti eri hermosolupopulaatiot laukovat”, Palva selventää.

Hän havainnollistaa aivorytmiä piirtämällä paperille erikokoisia aaltoja. Piirrettynä aivorytmi on kuin aalto, joka kasvaa, kun hermosolupopulaatio laukoo voimakkaammin.

”Tutkimme, ovatko koehenkilön aivorytmit vahvempia silloin, kun tämä havaitsee tai muistaa jonkin ärsykkeen.”

Havaintotehtävässä tutkijat näyttivät koehenkilöille nopeasti hyvin heikkoja kuvia, joiden esiintyvyyttä piti raportoida. Työmuistitehtävässä esitettiin kuvia, joissa oli esimerkiksi erivärisiä neliöitä. Sekunnin päästä koehenkilölle näytettiin toinen kuva ja häntä pyydettiin kertomaan, oliko kuva sama kuin edellinen. Samalla koehenkilön aivotoimintaa mitattiin MEG-laitteella.

Mitä voimakkaampia aivorytmit olivat, sitä paremmin koehenkilön aivot pystyivät käsittelemään informaatiota.  Aivorytmien eli oskillaatioiden voimakkuudella on siis merkitystä yksilön suorituskykyyn. Jos muistat näköinformaatiota paremmin kuin naapurin Pertti, oskillaatiosi ovat voimakkaammat kuin Pertillä.

Myös tehtävien vaikeusaste vaikutti aivorytmeihin:

”Kun koehenkilöiden piti muistaa ärsykkeiden muoto, väri ja paikka, niin sanottuja gammaoskillaatioita esiintyi enemmän kuin silloin, kun piirteistä piti muistaa vain yksi.”

Aivotutkija taipuu moneen

Aivoverkkojen tutkiminen on menetelmällisesti hyvin vaikeaa, Palva kertoo. Hänen tutkimusryhmänsä onkin panostanut menetelmiin niin ajassa, kuin rahassa.

”Kun aivojen toimintaa mitataan aivokuoren ulkopuolelta, esimerkiksi mallintaminen ja aivoverkkojen kartoittaminen ei todellakaan ole suoraviivaista ja helppoa. Nyt menetelmiä on olemassa ja uskon, että tutkimuksen tekemiselle on hyvät lähtökohdat.”

Aivotutkijoilla on tyypillisesti hyvin erilaiset taustat. Palvan tutkimusryhmässä on insinöörejä, fyysikkoja ja psykologeja. Palvan mielestä aivotutkimuksen isoin haaste onkin, ettei yhden alan tuntemus riitä. On hallittava psykologiaa, data-analyysia ja signaalinkäsittelyä.

Palva on itse alun perin biologi, joka päätyi opintojensa aikana tekemään tutkimusta psykologian laitokselle ja väittelemään psykologian alalta.  

”Olen aina halunnut ymmärtää, millaisia ovat psykologisten ilmiöiden – muistin, tarkkaavaisuuden ja aistitietoisuuden – biologiset mekanismit.”

Mikä aivoissani siis tapahtuu, kun havaitsen kahvimukin työpöydällä? Miksi havaintoni mukista on yhtenäinen, vaikka aistiärsykkeen eri piirteet käsitellään eri osissa aivoja?

Palvan tutkimusryhmä löysi mysteeriin vastauksen: ihminen tiedostaa aistiärsykkeen eri piirteiden liittyvän yhteen, koska eri hermosolupopulaatioiden toiminta on rytmittynyt yhtäaikaiseksi.

”Yksi hermosolupopulaatio käsittelee muotoa, toinen väriä, kolmas paikkatietoa. Kun ne laukovat yhtä aikaa, väri, muoto ja paikka liittyvät aistihavainnossa yhteen.”

Teksti ja kuva: Tea Kalska

Viimeksi muokattu 31.1.2017
Seuraa meitä:
FacebookSlideshareTwitterYoutube
VAIHDE 029 533 5000
KIRJAAMO 029 533 5049
FAKSI 029 533 5299
   
SÄHKÖPOSTI etunimi.sukunimi@aka.fi
AUKIOLO Arkisin 8.00-16.15
   
HENKILÖHAKU »
YHTEYSTIEDOT, LASKUTUS  JA
REKISTERISELOSTEET»
KYSYMYKSET JA PALAUTE »