Aivojen toiminta on edelleen palapeli, jossa on vain muutama pala paikallaan. Näistä yksi iso pala on itse asiassa arvelu: että aivojen fyysisen rakenteen ja niiden toiminnallisuuden välillä on yhteys.

Aivojen tehtäviin kuuluu muun muassa tulkita kosketus-, näkö- ja äänitietoja sekä puhetta, päättelyä, tunteita, oppimista, liikkeiden hienosäätöä ja monia muita tehtäviä. Neurotieteilijät olettavat, että aivojen anatomia – satojen miljardien hermosäikeidensa kanssa – mahdollistaa kaikki nämä toiminnot. Aivojen ”elävät johdot” ovat yhteydessä monimutkaisiin neurologisiin verkostoihin, jotka synnyttävät ihmisen hämmästyttävät kyvyt.

Näyttäisi siltä, että jos tutkijat pystyvät kartoittamaan hermosäikeet ja niiden yhteydet sekä tallentamaan niiden kautta kulkevien impulssien ajoituksen jonkin korkeamman toiminnon, kuten näkemisen, osalta, heidän pitäisi pystyä ratkaisemaan kysymys siitä, miten ihminen esimerkiksi näkee. Tutkijat pystyvät yhä paremmin kartoittamaan aivoja käyttämällä traktografiaa – tekniikkaa, jossa hermokuitujen reitit esitetään visuaalisesti 3D-mallinnuksen avulla. Ja he pystyvät yhä paremmin tallentamaan, miten tieto liikkuu aivojen läpi, käyttämällä parannettua toiminnallista magneettikuvausta verenkierron mittaamiseen.

Mutta näistä välineistä huolimatta kukaan ei näytä olevan paljon lähempänä sen selvittämistä, miten me todella näemme. Neurotieteellä on vain alkeellinen käsitys siitä, miten kaikki sopii yhteen.

Tämän puutteen korjaamiseksi ryhmäni biotekninen tutkimus keskittyy aivojen rakenteen ja toiminnan välisiin suhteisiin. Yleistavoitteena on selittää tieteellisesti kaikki yhteydet – sekä anatomiset että langattomat – jotka aktivoivat eri aivoalueita kognitiivisten tehtävien aikana. Työskentelemme monimutkaisten mallien parissa, jotka kuvaavat paremmin sitä, mitä tutkijat tietävät aivojen toiminnasta.

Viime kädessä selkeämpi kuva rakenteesta ja toiminnasta voi hienosäätää tapoja, joilla aivokirurgia pyrkii korjaamaan rakennetta ja päinvastoin lääkitys pyrkii korjaamaan toimintaa.

Johtimettomat kuumat paikat päässäsi

Kognitiiviset toiminnot, kuten päättely ja oppiminen, käyttävät useita erillisiä aivoalueita aikajärjestyksessä. Pelkkä anatomia – neuronit ja hermosäikeet – ei pysty selittämään näiden alueiden kiihottumista samanaikaisesti tai samanaikaisesti.

Jotkut yhteydet ovat itse asiassa ”langattomia”. Nämä ovat sähköisiä lähikenttäyhteyksiä, eivätkä traktografiassa kuvattuja fyysisiä yhteyksiä.

Tutkimusryhmäni on työskennellyt useiden vuosien ajan selvittääkseen yksityiskohtaisesti näiden langattomien yhteyksien alkuperää ja mitaten niiden kenttävoimakkuutta. Hyvin yksinkertainen analogia siitä, mitä aivoissa tapahtuu, on se, miten langaton reititin toimii. Internet toimitetaan reitittimeen langallisen yhteyden kautta. Reititin lähettää sitten tiedot kannettavaan tietokoneeseen langattomien yhteyksien avulla. Tiedonsiirron kokonaisjärjestelmä toimii sekä langallisten että langattomien yhteyksien ansiosta.

Aivoissa hermosolut johtavat sähköimpulsseja pitkiä säikeenmuotoisia haaroja pitkin, joita kutsutaan aksoneiksi (aksoneiksi), solurungosta toisiin hermosoluihin. Matkan varrella hermosolujen eristämättömistä osista lähtee luonnollisesti langattomia signaaleja. Näitä kohtia, joista puuttuu aksonin muuta osaa ympäröivä suojaava eristys, kutsutaan Ranvierin solmuiksi.

Ranvierin solmut sallivat varattujen ionien diffundoitua hermosolun sisään ja ulos, mikä levittää sähköistä signaalia aksonia pitkin. Kun ionit virtaavat sisään ja ulos, syntyy sähkökenttiä. Näiden kenttien voimakkuus ja rakenne riippuu hermosolun aktiivisuudesta.

Täällä Global Center for Neurological Networksissa keskitymme siihen, miten nämä langattomat signaalit toimivat aivoissa tiedon välittämiseksi.

Aivojen epälineaarinen maailma

Tutkimuksissa, joissa selvitetään, miten kiihottuneet aivoalueet sopivat yhteen kognitiivisten toimintojen kanssa, tehdään toinenkin virhe, kun ne tukeutuvat oletuksiin, jotka johtavat liian yksinkertaisiin malleihin.

Tutkijoilla on taipumus mallintaa suhde lineaariseksi yhden muuttujan avulla mittaamalla yksittäisen aivoalueen vasteen keskimääräistä kokoa. Se on logiikka ensimmäisen kuulokojeen suunnittelun taustalla – jos henkilön ääni kasvaa kaksi kertaa kovemmaksi, korvan pitäisi reagoida kaksi kertaa enemmän.

Mutta kuulokojeet ovat parantuneet huomattavasti vuosien varrella, kun tutkijat ovat ymmärtäneet paremmin, että korva ei ole lineaarinen järjestelmä, ja tarvitaan eräänlaista epälineaarista kompressiota, jotta tuotetut äänet saadaan sovitettua kuulijan kykyyn. Itse asiassa useimmilla elävillä olennoilla ei ole aistijärjestelmiä, jotka reagoivat ärsykkeisiin lineaarisesti, yksi yhteen.

Lineaarisissa malleissa oletetaan, että jos systeemin tulo kaksinkertaistetaan, myös systeemin lähtö kaksinkertaistuu. Tämä ei päde epälineaarisiin malleihin, joissa yhdelle syötteen arvolle voi olla useita lähtöarvoja. Ja useimmat tutkijat ovat yhtä mieltä siitä, että neuraaliset laskutoimitukset ovat itse asiassa epälineaarisia.

Kriittinen kysymys aivojen ja käyttäytymisen välisen yhteyden ymmärtämisessä on se, miten aivot päättävät parhaan toimintatavan kilpailevista vaihtoehdoista. Esimerkiksi aivojen otsalohkon aivokuori tekee optimaalisia valintoja laskemalla monia suureita eli muuttujia – laskemalla mahdollisen voiton, onnistumisen todennäköisyyden ja kustannukset ajan ja vaivan muodossa. Koska järjestelmä on epälineaarinen, potentiaalisen voiton kaksinkertaistaminen voi tehdä lopullisesta päätöksestä paljon enemmän kuin kaksi kertaa todennäköisemmän.

Lineaariset mallit jättävät huomioimatta sen runsaan kirjon mahdollisuuksien kirjon, jota aivojen toiminnassa voi esiintyä, erityisesti ne mahdollisuudet, jotka ylittävät sen, mitä anatominen rakenne antaa ymmärtää. Se on kuin ero ympäröivän maailman 2D- ja 3D-kuvauksen välillä.

Nykyaikaiset lineaariset mallit kuvaavat vain keskimääräistä herätteen tasoa aivojen alueella tai virtausta aivojen pinnalla. Tämä on paljon vähemmän tietoa kuin mitä kollegani ja minä käytämme rakentaessamme epälineaarisia mallejamme sekä tehostetun toiminnallisen magneettikuvauksen että sähköisen lähikentän biokuvantamistietojen perusteella. Mallimme antavat 3D-kuvan informaatiovirrasta aivojen pintojen yli ja syvyyksiin aivojen sisällä – ja tuovat meidät lähemmäs sen esittämistä, miten se kaikki toimii.

Normaali anatomia, fysiologinen toimintahäiriö

Tutkimusryhmääni kiehtoo se, että ihmisillä, joilla on täysin normaalin näköiset aivorakenteet, voi silti olla huomattavia toiminnallisia ongelmia.

Tutkimuksessamme neurologisista toimintahäiriöistä käymme ihmisten luona saattohoitokodeissa, surunvalittelun tukiryhmissä, kuntoutuslaitoksissa, traumakeskuksissa ja akuuttisairaaloissa. Olemme jatkuvasti hämmästyneitä huomatessamme, että ihmisillä, jotka ovat menettäneet läheisensä, voi olla samanlaisia oireita kuin potilailla, joilla on diagnosoitu Alzheimerin tauti.

Suru on sarja emotionaalisia, kognitiivisia, toiminnallisia ja käyttäytymiseen liittyviä reaktioita kuolemaan tai muunlaiseen menetykseen. Se ei ole tila, vaan pikemminkin prosessi, joka voi olla joko tilapäinen tai jatkuva.

Fysiologisesta surusta kärsivien terveen näköisissä aivoissa ei ole samoja anatomisia ongelmia – mukaan lukien kutistuneet aivoalueet ja hermosolujen verkostojen välisten yhteyksien häiriintyminen – kuin Alzheimerin tautia sairastavien aivoissa.

Me uskomme, että tämä on vain yksi esimerkki siitä, miten aivojen kuumat kohdat – ne yhteydet, jotka eivät ole fyysisiä – sekä aivojen epälineaarisen toiminnan rikkaus voivat johtaa lopputuloksiin, joita aivoskannaus ei ennustaisi. Esimerkkejä on todennäköisesti paljon muitakin.

Nämä ajatukset voivat viitoittaa tietä vakavien neurologisten sairauksien lieventämiseen ei-invasiivisin keinoin. Suruterapia ja ei-invasiiviset, sähköiset lähikentän neuromodulaatiolaitteet voivat vähentää läheisen menettämiseen liittyviä oireita. Ehkä näitä protokollia ja menettelyjä olisi tarjottava laajemmin potilaille, jotka kärsivät neurologisista toimintahäiriöistä, joissa kuvantaminen paljastaa anatomisia muutoksia. Se voisi pelastaa jotkut näistä henkilöistä invasiivisilta kirurgisilta toimenpiteiltä.

Aivojen kaikkien ei-fyysisten yhteyksien kartoittaminen käyttämällä viimeaikaisia edistysaskeleitamme sähköisessä lähikenttäkartoituksessa ja käyttämällä mielestämme biologisesti realistisia monimuuttujaisia epälineaarisia malleja saadaan meidät askeleen lähemmäs sitä, mihin haluamme päästä. Aivojen parempi ymmärtäminen ei ainoastaan vähennä invasiivisten leikkaustoimenpiteiden tarvetta toimintojen korjaamiseksi, vaan johtaa myös parempiin malleihin siitä, mitä aivot tekevät parhaiten: laskennasta, muistista, verkostoitumisesta ja tiedon jakamisesta.