Miten aivosi toimivat?

”Aivot ovat elimistön vaikeimmin tutkittava osa”, sanoo E. Fuller Torrey, Yhdysvaltain mielenterveysinstituutissa toimiva psykiatri. ”Me kannamme niitä mukanamme tässä kotelossa harteillamme, mikä on hyvin hankalaa tutkimisen kannalta.”

TUTKIJAT sanovat kuitenkin oppineensa jo paljon siitä, miten aivomme käsittelevät viiden aistimme välittämää tietoa. Tarkastellaanpa esimerkiksi sitä, miten ne muokkaavat näköaistimuksia.

Mielen silmät

Valo saapuu silmään ja osuu verkkokalvoon, joka koostuu kolmesta silmämunan takaseinämässä olevasta solukerroksesta. Valo kulkee kolmanteen kerrokseen asti. Tämä kerros sisältää niin sanottuja sauvasoluja, jotka reagoivat valoisuuteen, ja tappisoluja, jotka reagoivat punaista, vihreää ja sinistä väriä vastaaviin valon eri aallonpituuksiin. Valo vaalentaa näiden solujen väriainetta. Tällöin solusta lähtee signaali toisen kerroksen soluihin ja sieltä edelleen muihin soluihin ylimpään kerrokseen. Näiden solujen viejähaarakkeet muodostavat yhdessä näköhermon.

Näköhermon miljoonat hermosyyt johtavat aivoissa olevaan risteykseen nimeltä näköhermoristi. Siinä kummankin silmän verkkokalvon vasemmalta laidalta signaaleja välittävät hermosyyt kohtaavat ja seuraavat yhdensuuntaisia reittejä aivojen vasempaan puoliskoon. Vastaavasti kummankin verkkokalvon oikealta laidalta tulevat signaalit liittyvät yhteen ja kulkevat oikeaan puoliskoon. Impulssit saapuvat sitten väliasemalle talamukseen, ja sieltä seuraavat hermosolut siirtävät signaalit näkökuorialueelle aivojen takaosaan.

Näkötietojen eri piirteet kulkevat yhdensuuntaisia ratoja pitkin. Tutkijat tietävät nyt, että primaarinen näkökuorialue toimii erään lähellä sijaitsevan alueen kanssa yhdessä kuin postitoimisto lajitellen, ohjaten ja yhdistäen hermosolujen välittämää moninaista tietoa. Eräs kolmas alue saa selville hahmon, vaikkapa jonkin esineen reunat, ja liikkeen. Neljäs alue tunnistaa sekä muodot että värit, kun taas viides päivittää jatkuvasti näkötietojen karttoja havainnoidessaan erilaisia liikkeitä. Nykytutkimusten perusteella silmien keräämää näköinformaatiota käsittelee peräti 30 eri aivoaluetta! Mutta millaisen yhteistyön tuloksena syntyy kuva? Miten mielemme tosiaan ”näkee”?

”Näkeminen” aivojen avulla

Silmä kerää tietoja aivoille, mutta nimenomaan aivokuori ilmeisesti käsittelee aivojen vastaanottamat tiedot. Kun kameralla ottaa valokuvan, kuvassa näkyy yksityiskohtia koko näkymästä. Mutta kun silmät tarkkailevat samaa näkymää, tietoisia havaintoja tehdään vain siitä osasta, johon kiinnitetään huomiota. Se miten aivot tekevät tämän, on hämärän peitossa. Jotkut uskovat sen johtuvan siitä, että näkötietoja yhdistellään vaiheittain niin sanotuilla konvergenssialueilla, jotka auttavat vertaamaan nähtyä siihen, mitä tiedetään jo entuudestaan. Toiset arvelevat, että kun ihminen ei näe jotakin selvästi, syynä on yksinkertaisesti se, että tarkkaa näköä säätelevät hermosolut eivät reagoi ärsykkeeseen.

Oli miten oli, tutkijoiden vaikeudet näön selittämisessä kalpenevat niiden ongelmien rinnalla, joita kohdataan määriteltäessä, mitä ”tietoisuus” ja ”mieli” oikeastaan ovat. Sellaiset kuvantamismenetelmät kuin magneettikuvaus ja positroniemissiotomografia ovat avanneet tiedemiehille uuden ikkunan ihmisen aivoihin. Havainnoimalla veren virtaamista eräille aivoalueille ajatustoimintojen aikana he ovat tulleet kohtuullisen varmasti siihen tulokseen, että sanojen kuulemisessa, sanojen näkemisessä ja sanojen puhumisessa auttavat ilmeisesti aivokuoren eri alueet. Silti ”mielen ja tietoisuuden ilmiö on paljon monimutkaisempi – – kuin kukaan aavistikaan”, kuten eräs kirjoittaja on todennut. Aivojen salaisuuksissa on tosiaan vielä paljon selvitettävää.

Aivot – pelkkä ihmeellinen tietokone?

Ymmärtääksemme monimutkaisia aivojamme saattaa olla hyödyksi tehdä vertailuja. Teollisen vallankumouksen alussa 1700-luvun puolivälissä tuli muotiin verrata aivoja koneeseen. Kun myöhemmin puhelinvaihteista tuli edistyksen merkkipaaluja, aivoja verrattiin vilkkaaseen vaihteeseen, jossa puhelunvälittäjä teki ratkaisuja. Nykyään kun tietokoneet käsittelevät monimutkaisia tehtäviä, jotkut vertaavat aivoja niihin. Selittääkö tämä rinnastus täysin, miten aivot toimivat?

Merkittävät peruserot erottavat aivot tietokoneesta. Aivot ovat pohjimmiltaan kemiallinen järjestelmä, eivät sähköinen. Jokaisessa solussa tapahtuu lukemattomia kemiallisia reaktioita, mikä eroaa täysin tietokoneen toiminnasta. Lisäksi, kuten tri Susan Greenfield huomauttaa, ”kukaan ei ohjelmoi aivoja: ne ovat ennakoiva elin, joka toimii itsestään”. Tietokone sitä vastoin on ohjelmoitava.

Hermosolut ovat yhteydessä toisiinsa monimutkaisella tavalla. Monet niistä reagoivat vähintään tuhanteen synaptiseen impulssiin. Tätä auttaa ymmärtämään erään neurobiologin tutkimus. Hän tutki aivojen alapinnassa heti nenän yläpuolella ja takana olevaa aluetta saadakseen selville, miten tunnistamme eri hajuja. Hän sanoo: ”Tähänkin näennäisen yksinkertaiseen tehtävään – joka tuntuu pikkujutulta verrattuna geometrisen väittämän todistamiseen tai Beethovenin jousikvarteton ymmärtämiseen – tarvitaan kuutisen miljoonaa hermosolua, joista kukin vastaanottaa ehkä 10000 impulssia toisilta soluilta.”

Aivot ovat kuitenkin enemmän kuin kokoelma hermosoluja. Jokaista hermosolua varten on useita gliasoluja. Sen lisäksi että ne pitävät aivoja koossa, ne toimivat hermosolujen sähköeristeinä, taistelevat taudinaiheuttajia vastaan ja liittyvät toisiinsa suojaavaksi veri-aivoesteeksi. Tutkijat uskovat, että gliasoluilla saattaa olla muitakin tehtäviä, joita ei vielä ole keksitty. ”[Aivojen] näennäinen samankaltaisuus ihmistekoisten tietokoneiden kanssa, jotka käsittelevät sähköistä tietoa digitaalisessa muodossa, saattaa olla niin vähäistä, että se johtaa harhaan”, päättelee Economist-lehti.

Tarkasteltavaksemme jää silti vielä eräs salaisuus.

Mistä muistot on tehty?

Muisti – joka professori Richard F. Thompsonin mukaan on ”aineellisen maailman kenties merkillisin ilmiö” – käsittää useita aivojen eri toimintoja. Yleensä opiskelijat jakavat muistin kahteen lajiin, asia- ja suoritusmuistiin. Suoritusmuisti liittyy taitoihin ja tapoihin, asiamuisti puolestaan tallentaa asioita. Eräässä kirjassa muistitoiminnot lajitellaan sen mukaan, miten paljon ne vievät aikaa: noin sata millisekuntia kestävä pikamuisti, muutaman sekunnin kestävä välitön muisti, tuoreita kokemuksia tallentava työmuisti sekä pysyvä muisti, jossa säilytetään harjoiteltua sanallista aineistoa ja harjaantuneita motorisia taitoja (The Brain—A Neuroscience Primer).

Yksi mahdollinen selitys pysyvälle muistille on, että se alkaa aivojen etuosassa tapahtuvalla toiminnalla. Tähän muistilajiin valitut tiedot siirtyvät sähköimpulsseina aivojen osaan nimeltä hippokampus (aivoturso), jossa niin sanottu pitkäkestoinen vahvistuminen tehostaa hermosolujen kykyä siirtää viestejä (ks. tekstiruutua ”Silta yli raon”).

Eräs toinen teoria muistista lähtee siitä ajatuksesta, että aivosähkötoiminnalla on ratkaiseva osa. Teorian kannattajat uskovat, että aivojen sähkötoiminnan säännölliset värähtelyt auttavat kuin rummun lyönnit muistoja nivoutumaan yhteen ja säätelevät sitä, millä hetkellä eri aivosolut aktivoituvat.

Tutkijat uskovat, että aivot tallentavat muistoista eri piirteitä eri paikkoihin, niin että kukin käsite yhdistetään siihen aivojen alueeseen, joka on erikoistunut sen havaitsemiseen. Jotkin aivojen osat varmasti edistävätkin muistia. Mantelitumake, pieni mantelin kokoinen hermosolusolmuke lähellä aivorunkoa, käsittelee pelkoon liittyviä muistoja. Tyvitumakkeet keskittyvät tapoihin ja fyysisiin taitoihin ja pikkuaivot aivojen pohjalla ehdollistuneeseen oppimiseen ja reflekseihin. Tänne meidän uskotaan tallentavan tasapainotaidot, esimerkiksi ne joita tarvitsemme pyöräillessä.

Tässä lyhyessä silmäyksessä aivojen toimintaan on väistämättä jouduttu ohittamaan muita merkittäviä toimintoja yksityiskohtineen, kuten esimerkiksi aivojen ajan taju, valmius oppia jokin kieli, monimutkaiset motoriset taidot, elimistön hermojärjestelmän ja tärkeiden elinten säätely sekä kivun käsittely. Immuunijärjestelmään yhteydessä olevat kemialliset viestinviejät ovat vielä löytämättä. ”[Aivot] ovat niin uskomattoman monimutkaiset”, toteaa hermotutkija David Felten, ”että sitä miettii, onko mitään toivoa saadakaan niistä täysin selkoa.”

Vaikka monet aivojen salaisuuksista ovat vielä ratkaisematta, tämä merkittävä elin antaa meille kyvyn ajatella, mietiskellä ja muistella jo oppimaamme. Miten sitten voimme käyttää aivojamme mahdollisimman hyvin? Sarjamme viimeinen kirjoitus vastaa siihen.

[Tekstiruutu/Kuvat s. 8]

SILTA YLI RAON

Kun hermosoluun tulee ärsyke, hermoimpulssi kulkee hermosolun viejähaaraketta pitkin. Saavuttuaan synapsille se saa haarakkeen päässä olevat pikkuruiset synapsirakkulat, joista kussakin on tuhansia välittäjäainemolekyylejä, sulautumaan päätteen pintaan, jolloin rakkuloiden sisältö vapautuu ylittämään synapsiraon. Monimutkaisen avainten ja lukkojen järjestelmän välityksellä välittäjäaine avaa ja sulkee impulssin kulkureittejä seuraavassa hermosolussa. Tällöin vastaanottajasoluun virtaa sähköllä varautuneita hiukkasia, ja ne aiheuttavat lisää kemiallisia muutoksia, jotka joko synnyttävät siellä sähköimpulssin tai estävät uudet sähköreaktiot.

Ilmiö nimeltä pitkäkestoinen vahvistuminen tapahtuu, kun hermosolut saavat säännöllisesti ärsykkeitä ja vapauttavat välittäjäaineita synapsiraon yli. Jotkut tutkijat uskovat, että tämä vetää hermosoluja lähemmäksi toisiaan. Toiset sanovat todisteiden viittaavan siihen, että viesti heijastuu vastaanottajasolusta takaisin välittävään soluun. Se puolestaan aiheuttaa kemiallisia muutoksia, jotka tuottavat vielä lisää proteiineja välittäjäaineiksi. Nämä vahvistavat hermosolujen välistä sidettä.

Muuttuvat yhteydet aivoissa, niiden mukautuvuus, antavat aiheen sanonnalle ”käytä tai menetä”. Eli jos haluaa muistaa jotain, se on hyvä palauttaa mieleen usein.

Viejähaarake

Signaaleja vievä haarake, joka yhdistää hermosoluja toisiinsa

Tuojahaarakkeet

Lyhyitä, moneen suuntaan lähteviä haarakkeita, jotka yhdistävät hermosoluja toisiinsa

Hermosolut

Aivoissa on noin 10–100 miljardia hermosolua, joista ”kukin on yhteydessä satoihin, joskus tuhansiin, muihin soluihin”

Välittäjäaineet

Kemiallisia aineita, jotka vievät hermosignaalin niin sanotun synapsiraon yli tuojasolusta vastaanottajasoluun

Synapsi

Tuojasolun ja vastaanottajasolun välinen liitoskohta

[Lähdemerkinnät]

Perustuu professori Susan A. Greenfieldin kirjaan The Human Mind Explained (1996)

CNRI/Science Photo Library/PR

[Tekstiruutu/Kuvat s. 9]

IHMISILLE TYYPILLISIÄ KYKYJÄ

Aivoissa on puhekeskuksiksi nimettyjä erikoistuneita alueita, joiden ansiosta ihmisellä on hämmästyttävä kyky viestiä. Se mitä haluamme sanoa, näyttää järjestäytyvän vasemman aivopuoliskon alueella nimeltä Wernicken alue (1). Se on yhteydessä Brocan alueeseen (2), joka soveltaa kielioppisääntöjä. Seuraavaksi impulssit saapuvat lähellä sijaitseville motorisille alueille, jotka säätelevät kasvolihaksia ja auttavat meitä muodostamaan oikeita sanoja. Lisäksi nämä alueet ovat yhteydessä aivojen näköjärjestelmään voidaksemme lukea; kuulojärjestelmään voidaksemme kuulla ja ymmärtää toisten puhetta ja vastata siihen; sekä – mitä ei sovi sivuuttaa – muistipankkiimme tallentaaksemme arvokkaita ajatuksia. ”Se mikä erottaa ihmiset muista eläimistä”, sanotaan opaskirjasessa Journey to the Centres of the Brain, ”on heidän kykynsä oppia hämmästyttävän erilaisia taitoja, asioita ja sääntöjä, eikä vain heitä ympäröivän maailman konkreettisesta puolesta vaan etenkin muista ihmisistä ja heidän käyttäytymisensä syistä.”

[Kuvat s. 7]

Värejä, muotoja, ääriviivoja ja hahmoja sekä liikkeitä käsitellään aivojen eri alueilla

[Lähdemerkintä]

Parks Canada/ J. N. Flynn