23.8.2013

Tietoisuus on ihmisaivojen arvoitus

Ihmisen mieli on akatemiatutkija Matias Palvan tutkimuskohde. Helsingin yliopiston neurobiologian dosentti ja neurotieteen tutkimuskeskuksen projektinjohtaja vetää vuonna 2013 Ihmisen mieli -hanketta, joka laajentaa aiempaa projektia nimeltäTietoisen aistihavainnon ja suorituskyvyn vaihteluiden hermostolliset mekanismit.

Nykyajan löytöretkeilijä

Vielä toisena opiskeluvuotenaan yliopistossa Matias Palva oli varma, että tutkijaa hänestä ei ainakaan tule. Tutkijapariskunnan lapsi tunsi ammatin varjopuolet, kuten rahoituksellisesti epävarman tulevaisuuden ja alati läsnä olevan työn. Nyt, huippututkijana ja perheenisänä, hän toteaa varjojen väijyvän odotetuissa paikoissa, mutta niistä huolimatta hänet houkutteli tutkijaksi palava uuden löytämisen into.

Löydettävää riittää kuten entisaikojen löytöretkeilijöillä, mutta mantereiden sijasta Matias tutkimusryhmineen kartoittaa ihmiskehon arvoituksellisinta kolkkaa, aivoja. He etsivät uusia tapoja ymmärtää aivojen toimintaa. Alan kuuma kysymys kuuluu: miten aivoissa muodostuu tietoisuus?

Ihminen ei ole aistiensa orja

”Kas, joku heitti omenan!”  vaikuttaa yksinkertaiselta havainnolta. Miten se syntyy? Hieman yksinkertaistaen: ensin yksi aivoalue rekisteröi kohteen olevan punainen, toinen pyöreän, kolmas tunnistaa liikeradan. Tällaisten toisistaan irrallisten tietojen sijasta ihminen kuitenkin havaitsee kokonaisuuden, tulee tietoiseksi: joku heitti omenan! Siihen tarvitaan tietoisuuden arvoituksellinen syntymekanismi, joka yhdistää yksittäiset aistihavainnot järkeväksi kokonaisuudeksi.

Ulkomaailmasta aivoihin ryöpsähtää aistien kautta informaatiotulva, joka hajaantuu isoihin solujoukkoihin eri aivoalueille. Ihminen ei kuitenkaan ole aistiensa orja. Vaikka aistitietoa tulee tulvimalla, et tule kaikesta tietoiseksi. Tiedostamisen prosessissa kokonaisuus rakentuu niistä aistihavainnoista, jotka tarkkaavaisuutesi sallii sinun rekisteröidä ulkomaailmasta. Tilanne on tuttu: eri ajankohtina havaitsee eri asioita, vaikka olosuhteet olisivat ennallaan, ja täysin samassakin tilanteessa eri ihmiset tiedostavat eri asioita.

”Tietoisuuden voi ajatella suodattimena aistitiedolle. Tietoisuus valitsee, mitä ihminen tarkkailee. Tutkimusryhmämme selvittää, miten solut synnyttävät tämän suodattimen, tarkkaavaisuuden ja tietoisuuden mekanismin.” Matiaksen ryhmä tutkii havaintojen syntymistä kahdesta suunnasta. Toisaalta havainnot rakentuvat aivoissa aistien kautta ”alhaalta ylöspäin”, ja toisaalta ”ylhäältä alaspäin”, kun tietoisuus ja tarkkaavaisuus suodattavat havaittuja ärsykkeitä ja ”sitovat” hermosolujen toiminnan yhteen niin, että ihminen tulee tietoiseksi joidenkin tapahtumien summasta.

Tiedostaminen on todennäköisesti dynaaminen prosessi

Mikä muutos aivoissa aiheuttaa sen, että joskus tulee tietystä ärsykkeestä tietoiseksi, joskus ei? Sen selvittämiseksi Matiaksen ryhmän koehenkilöt katsovat tietokonenäyttöä elektrodimyssy päässä.

”Heikolle ärsykkeelle löydetään sellainen voimakkuus, että puolet kerroista havaitaan, puolet jää havaitsematta. Toisaalta vahvaankin ärsykkeeseen reagoidaan välillä nopeasti, välillä hitaasti. Ihminen ei välttämättä itse havaitse suorituskykynsä vaihtelua.”

Aivosolut eivät lähetä tietoja yhteen paikkaan, joka sähköttäisi havaintojen tulvasta totuuden: ”näin se on”. Todennäköisemmin tietoisuus syntyy dynaamisesti ja hierarkisesti: erilaiset informaatiot yhdistyvät vesiputouksen lailla tietoiseksi havainnoksi . Matiaksen tutkimusryhmä metsästää tiedon yhdistämisen dynaamista mekanismia, joka yhdistelee esimerkiksi näköaistin havaitsemista suorista linjoista kulmia, kulmista laatikoita ja laatikoista taloja – yksinkertaisista piirteistä monimutkaisia havaintoja.

Mitkä biologiset prosessit ovat mielen mekanismeja?

Aivotoiminta on sähköistä. Toimivien hermosolujen ulko- ja sisäpuolella on ionivirtoja, joiden muodostamia sähkö- ja magneettikenttiä voidaan mitata. Tässä tutkimuksessa aivokuoren tapahtumia tarkkaillaan lähinnä ulkoisesti ja haitattomasti aivomagneettikäyrillä (MEG) ja aivosähkökäyrillä (EEG). Lisäksi kehitetään käänteismallinnoksia, eli ensin magneettikuvantamisella selvitetään yksilön aivojen anatomia, minkä jälkeen voidaan ryhtyä mallintamaan, millainen virta on synnyttänyt mainituilla menetelmillä mitattavia tuloksia.


Elektrodimyssyt päässä istuvilta koehenkilöiltä mitataan tietoa tietoisuuden tason vaihteluista ja samanaikaisista aivotapahtumista. Tavoitteena on löytää korrelaatioita tietoisuuden tason vaihtelujen ja mitattujen ilmiöiden välillä. ”Tapahtuuko aivoissa jotain tiettyä ennen tietynlaista käyttäytymistä?  Pystytäänkö käyttäytymistä ennustamaan? Haluamme tietää, mitkä ilmiöt aivoissa ennustavat yksilöiden välistä vaihtelua.”

Kovimpaan testiin mennään, kun vakuuttava korrelaatiokartta on laadittu. Sen jälkeen aivoja manipuloidaan ulkopuolelta, esimerkiksi aivoihin kajoamattomalla transkraniaalisella magneettistimulaatiolla (TMS), ja toivottavasti aiheutetaan ennustettava reaktio.

”Voisimme esimerkiksi todeta, että korrelaatiokartan mukaista kohtaa häiritsemällä ihminen ei tosiaan tule tietoiseksi tapahtumasta, vaikka ilman häiriötä niin tapahtuisi. Tai jos saamme kartoitettua, mikä aivoissa ylläpitää työmuistia, stimuloinnin avulla henkilö saadaan muistamaan paremmin tai huonommin.”

”Aivosairaudet maksavat enemmän kuin syöpä-, sydän- ja verisuonisairaudet ja diabetes yhteensä”

Ihmisen mielen toimintaa on pohdittu toista tuhatta vuotta, ja vasta nyt aletaan lupaavasti lähestyä mekanismeja, jotka aivojen biologiassa synnyttävät mielen.

”Aivotutkimus on nyt siinä, missä kemian tutkimus oli 50-100 vuotta sitten.” Vertaus kemian maailmaan juontaa siitä, että Matias aloitti opintonsa Teknillisen korkeakoulun kemian osastossa. ”Opiskeluaikoina en nähnyt kemiassa yhtä perustavanlaatuisia kysymyksiä kuin aivotutkimusasioissa nykyään. ”

Ei ole outoa, että aivotutkijaksi päädytään aivan joltain toiselta alalta. ”Vielä ei ole koulutusohjelmaa, joka antaisi aivotutkijalle tarvittavat eväät. Jokainen aivotutkija on alun perin jotain muuta. ”Juuri se, että jokaisella tutkijalla on oma tieteellinen ajattelutapansa, tuo aivotutkijoiden yhteistyöhön suurten oivallusten mahdollisuuden.

Perustutkimuksen lisäksi Matias korostaa aivotutkimuksen kliinisiä sovellusmahdollisuuksia. Skitsofreniassa ja muissa aivosairauksissa aivojen mekanismit ovat vaurioituneet tavoilla, joita ymmärretään vielä huonosti. ”Toivottavasti tutkimus luo pohjaa uusille terapioille ja diagnostisille työkaluille. Aivosairaudet ovat yhteiskunnan ylivoimaisesti rasittavin sairausryhmä sekä kuluiltaan että kuormittavuudeltaan. Aivosairaudet maksavat enemmän kuin syöpä-, sydän- ja verisuonisairaudet sekä diabetes yhteensä, mutta silti aivotutkimukseen käytetään suhteessa paljon vähemmän rahaa.”

Ryhmä tekee tutkimustyötä läheisesti Matiaksen vaimon Sadun tutkimusryhmän kanssa. Neurobiologian kurssilla tutustunut pariskunta päätti jo varhain tähdätä huippututkimukseen, ja nyt monitieteistä yhteistyötä tekee noin 15 tutkijaa kaikista aivotutkimusta sivuavista ammattikunnista, neurobiologien lisäksi insinööreistä fyysikkoihin ja psykologeihin.

”Harrastuksille ei oikein jää aikaa. Hallinnollisten velvollisuuksien jälkeen tutkimus vie kaiken, mitä on annettavana, eikä sekään tahdo riittää. Toisaalta tutkimusta ei kannatakaan tehdä, jos näkee voivansa tehdä jotain muutakin. Tällä alalla vaaditaan palavaa intoa ja kunnianhimoa, sillä asioiden tekeminen hyvin ei riitä. Täytyy pysyä mukana tiedemaailman kansainvälisessä kilpajuoksussa, ja juuri nyt työssä edistytään erittäin lupaavasti.”

Testi: Nina Mäki-Kihniä
Kuva: Satu Palva ja Pixmac

Viimeksi muokattu 7.5.2015

Tietysti.fi on Suomen Akatemian sivusto, joka kertoo yleistajuisesti Akatemian rahoittamasta tutkimuksesta sekä tieteestä ja tutkimuksesta yleensä. Sivuille kootaan muun muassa tutkijahaastatteluita, tieteen yleisötapahtumia, tiedeuutisia ja tutkimuksesta kertovia taustajuttuja.

Seuraa meitä:

Ota yhteyttä

Suomen Akatemian viestintä
terhi.loukiainen@aka.fi

Lisätietoja Suomen Akatemiasta www.aka.fi