Vuonna 2006 toimintansa aloittaneessa neuroinformatiikan koordinaatiossa on tällä hetkellä 14 jäsenmaata, joissa toimivat tutkimusryhmät pitävät yhteyttä kansallisten koordinaatiotahojen kautta. Suomen neuroinformatiikan työtä koordinoi Tampereen teknillisen yliopiston signaalinkäsittelyn laitos ja tieteen tietotekniikan keskus CSC:n kanssa. Vastaavana johtajana toimii professori Ulla Ruotsalainen.

Maaliskuussa 2008 koordinaatioryhmä isännöi aivojen kuvantamiseen keskittyvää aivoriihtä Tampereen Verkarannassa. Aivoriihessä neuroinformaatikot kokoontuivat kahdeksi päiväksi pohtimaan aivojen lepotilaa eli sitä, mitä aivoissa tapahtuu, kun ulkoisesti mitään ei tapahdu. Tällöin aivoja ei stimuloida ärsykkeillä eikä niille ole annettu erityistä tehtävää.

Aivoriihen kutsuttuina puhujina ja keskustelun alustajina olivat Suomen neurotieteiden kärkiasiantuntijoihin kuuluvat Ulla Ruotsalainen (Tampereen teknillinen yliopisto), Lauri Parkkonen (Teknillinen korkeakoulu, Helsinki), Vesa Kiviniemi (Oulun yliopistollinen sairaala), Synnöve Carlson (Helsingin yliopisto), Joanna Huttunen (A.I. Virtanen Instituutti, Kuopio), Kaike Kaisti (Turun yliopistollinen sairaala), University Hospital), Ricardo Vigario (Teknillinen korkeakoulu, Helsinki) sekä Jussi Tohka (Tampereen teknillinen yliopisto).

Aivojen toiminnan kuvantaminen eri menetelmillä

Ihmisaivojen tutkimus ja kuvantaminen hyödyntävät erilaisia menetelmiä. Tyypillisimmin aivojen toimintaa tutkitaan mittaamalla aivojen tuottamien sähkövirtojen aiheuttamia potentiaaleja kallon pinnalta elektroenkefalografialla (EEG). Professori Riitta Hari on tehnyt uraa uurtavaa työtä Teknillisessä korkeakoulussa magnetoenkefalografialla (MEG), jolla rekisteröidään sähkövirtojen tuottamia magneettikenttiä aivojen ulkopuolella.

– MEG ja EEG ovat ajallisesti hyvin tarkkoja menetelmiä, mutta aivotoiminnan paikan selvittäminen, varsinkin pelkästä EEG-mittauksesta, on vaikea ongelma, sanoi Lauri Parkkonen aivoriihessä. Hän työskentelee Kylmälaboratorion Aivotutkimusyksikössä Teknillisessä korkeakoulussa.

Aivojen toimintaa voidaan tutkia myös positroniemissiotomografialla (PET) ja funktionaalisella magneettikuvantamisella (fMRI), joiden avulla aivotoiminnan paikka saadaan selville tarkasti, mutta sen ajallisesta käyttäytymisestä ei saada tietoa.

– PET:ssä kuvataan radioaktiivisesti leimatun aineenvaihdunnallisesti aktiivisen merkkiaineen kertymistä aivorakenteisiin mittaamalla aineen lähettämää säteilyä. Säteilymittausprofiilien perusteella voidaan muodostaa kuvia esimerkiksi aivojen eri rakenteiden aineenvaihdunnan tasoista tai reseptoritiheyksistä. PET-menetelmällä ja fMRI:llä voidaan kuvantaa veren virtauksen alueellisia muu-toksia aivoissa, Ulla Ruotsalainen kertoi tilaisuudessa.

Aivoriihessä esitettiin MEG:n ja EEG:n nopean ajallisen tarkkuuden yhdistämistä hyvän paikkatarkkuuden tarjoaviin PET- ja fMRI-tekniikoihin. Mittaustietojen yhdistämisen ongelmina ovat kuvien moniulotteisuus ja kohdistaminen yhteiselle aivokartastolle. Tampereen teknillisen yliopiston vanhemman tutkijan Jussi Tohkan lähestymistapa kuvantamistietojen analysointiin on maailman huippua. Hänen ohjaamattomaan oppimiseen perustuvat geneettiset algoritminsa auttavat yhdistämään tarkasti eri kuvantamismuodoilla saatuja tuloksia.

Lepäävien aivojen aktiivisuus

Toiminnallisessa kuvantamisessa ihmisen aivojen toimintaa pyritään ymmärtämään tulkitsemalla aivojen aktivaatiota vasteena ulkoiseen ärsykkeeseen tai tehtävään. Ärsykkeet suunnitellaan yleensä helposti tunnistettaviksi ja yksinkertaisiksi. Siksi ne ovat kaukana arkielämän ärsykkeistä. Toistamalla ärsykkeitä saadaan aivoista keskiarvoistettua tyypillinen vaste kyseiseen ärsykkeeseen. Vertailemalla tyypillisiä vasteita pyritään rakentamaan malli tiedon prosessoinnista liittyen kyseiseen ärsykkeeseen.

Aktivaatiovasteita tallennetaan usein kolmessa eri tilanteessa: ennen ärsytystä, ärsytyksen aikana sekä ärsytyksen jälkeen. Tällöin ärsytystä edeltävää aktivaatiota pidetään perustasona, tai lepotilana, jota vasten muutoksia aivotoiminnassa verrataan. Tuore aivotutkimus on kuitenkin paljastanut, että pelkässä aivojen lepotilassa tapahtuu muutoksia, jotka saattavat olla suurempia kuin vasteet itse ärsytykseen!

– Toiminnallisen MRI:n avulla aivoista on löydetty aivoalueiden joukko, joka aktivoituu levossa, mutta hiipuu, kun aivoille annetaan keskittymistä vaativia tehtäviä: mitä vaikempia tehtävät ovat, sitä suurempi on aktivaation hiipuminen. Tätä levossa aktiivista tilaa kutsutaan perustilaksi, mutta sen toiminnallista merkitystä ei tunneta, sanoi radiologi Vesa Kiviniemi. Hän kuuluu MIRG-työryhmään (Medical Imaging Research Group), joka on Oulun yliopiston radiologian klinikan ja sähkötekniikan osaston yhteinen tutkimusryhmä.

Perustilan aivoalueiden aktivaatio voi olla mahdollista erotella muusta, esimerkiksi ärsytyksen aiheuttamasta, aivojen aktivaatiosta ICA (Independent Component Analysis) -menetelmän avulla. Erottelu mahdollistaisi fMRI-aineiston tarkemman tulkinnan ja siten edesauttaisi fMRI:n käyttökohteiden laajentumista esimerkiksi aivojen toiminnallisuuden kuvantamiseen lääketieteellisessä diagnostiikassa. Dosentti Ricardo Vigario Teknillisestä korkeakoulusta esitti aivoriihessä, että ICAmenetelmällä kokeellisessa tutkimuksessa saatetaan vihdoin irrottautua keinotekoisesta ärsyke- vaste -toisinnosta kohti luonnonmukaisempia jatkuvia kokeita.

Perustilalla voi olla myös toinen tärkeä lääketieteellinen merkitys: perustilaa voidaan käyttää vertailukohtana tutkittaessa ihmisen tietoisuuden tason muutoksia muuttuneissa tajunnantiloissa, kuten nukutuksessa. Tohtori Kaike Kaisti Turun yliopistollisen sairaalan PET-keskuksesta pohti perustilan mahdollista osuutta tietoisena olemisen määrittelyssä.

Tämä on lääketieteellisesti tärkeä tutkimuskohde, sillä toistaiseksi ei ole pystytty yksiselitteisesti määrittelemään, mitkä aivorakenteiden väliset yhteydet tai minkälaatuinen kommunikaatio niiden välillä on välttämätöntä tai riittävää tietoisen tajunnan luomiseksi. Asiaa voidaan lähestyä vertaamalla lepotilan aivotoimintaa tilanteeseen, jossa tietoisuutta on hallitusti lääkkein vaimennettu.

- Olisi hienoa saada lisätietoa siitä, mitkä perustilan toiminnoista liittyvät nimenomaan tajunnan ylläpitämiseen ja toisaalta, mitkä ovat ne avainvaikutukset, joilla nämä molekyyleiltään hyvin erilaiset lääkeaineet onnistuvat aikaansaamaan tajunnan menetyksen, Kaisti sanoo. ■

Jarno Mikkonen