Miten mitata ihmisten aivotoimintaa
Aivoja on vaikea tutkia paitsi niiden luontaisen monimutkaisuuden vuoksi; ne ovat miljardeja neuroneita, satoja tai tuhansia erilaisia neuronityyppejä ja triljoonia yhteyksiä. Aivot toimivat myös useissa eri mittakaavoissa, sekä fysikaalisessa mielessä että ajallisella alueella.
Aivojen sähköisen toiminnan ymmärtämiseksi näissä mittakaavoissa mikään yksittäinen teknologia ei riitä. Tämän vuoksi neurotieteilijöillä on käytössään joukko työkaluja. Joitakin näistä, kuten fMRI:tä ja EEG:tä, voidaan käyttää ihmisillä, koska ne eivät ole invasiivisia; ne toimivat kallon läpi katsomalla.
Mutta nämä välineet kärsivät yksityiskohtaisuuden puutteesta. Saadakseen mikroskooppisempaa kuvaa hermosolujen toiminnasta tutkijat kääntyvät eläinmallien puoleen. Näin yksittäisten neuronien tai pienten neuroniryhmien käyttäytymistä voidaan analysoida paljon yksityiskohtaisemmin.
Funktionaalinen magneettiresonanssikuvaus (fMRI)
Funktionaalinen magneettiresonanssikuvaus eli fMRI saattaa olla tunnetuin tekniikka neuraalisen aktiivisuuden tallentamiseen, mutta se ei varsinaisesti tallenna neuronien aktiivisuutta – sen sijaan tietyt aivoalueiden valaistut monivärikuvat heijastavat aivojen verenkiertoa. Tarkemmin sanottuna näkemäsi signaali heijastaa hapekkaan ja hapettoman veren suhteellista läsnäoloa; aktiiviset alueet vaativat enemmän hapekasta verta, joten epäsuorasta luonteestaan huolimatta fMRI:n avulla tutkijat voivat päätellä neuronien aktiivisuusmalleja.
fMRI:stä on tullut nykyaikaisen neurotieteellisen tutkimuksen peruspilari, koska sen avulla aivojen anatomia (joka saadaan rakenteellisesta eikä toiminnallisesta MRI-kuvauksesta) ja toiminta voidaan suhteuttaa ihmisillä. Sillä on kuitenkin rajoituksia. Sekä spatiaalinen (~1 mm3, joka liittyy sijaintiin) että temporaalinen (~1-2 sekuntia, joka liittyy aikaan) resoluutio on huono verrattuna siihen, mitä haluaisimme; kuutiomillimetri sisältää noin 60 000 neuronia – tarpeeksi ylläpitämään hedelmäkärpäsen tai hummerin koko elämää – ja monimutkaiset havaintopäätökset kestävät vain satoja millisekunteja, mutta fMRI ei tarjoa pääsyä tähän tietoon.
FMRI mahdollistaa kuitenkin vertaansa vailla olevan katsauksen siihen, minne ja missä määrin eri toiminnot voivat paikantua ihmisen aivoissa, ja tutkijat keksivät edelleen keinoja parantaa sen alueellista ja ajallista erottelukykyä esimerkiksi tekemällä tekniikasta herkän hermosolujen muutoksille verenkierron muutosten sijasta. Mikään nykyinen tekniikka ei vedä vertoja fMRI:lle sen kyvyssä ”kartoittaa” tai määrittää kognitiivisten toimintojen todennäköinen lähde ihmisaivoissa.
Elektroenkefalografia (EEG)
Elektroenkefalografia eli EEG on luultavasti toiseksi tunnetuin tekniikka, jolla voidaan rekisteröidä hermotoimintaa. Siinä missä fMRI tallentaa verenkiertoa, joka on hermosolujen aktivaation välittäjäaine, EEG tallentaa suoraan aivojen sähköistä toimintaa koehenkilön päänahkaan asetettujen elektrodien avulla.
EEG ei kuitenkaan tallenna toimintapotentiaaleja, sähköisiä tapahtumia, joiden avulla hermosolut kommunikoivat keskenään. Sen sijaan se kartoittaa satojen tuhansien tai miljoonien neuronien yhteenlaskettua aktiivisuutta oskilloivan toiminnan muodossa. Toisin kuin toimintapotentiaalien kohdalla, ei tiedetä, mitä tietoa nämä värähtelyt itse asiassa kantavat, mutta eri värähtelytaajuudet korreloivat erilaisten käyttäytymistilojen kanssa.
EEG:n ”ajallinen erottelukyky” on paljon parempi kuin fMRI:n (~1 ms vs. 1 sekunti). Tämän vuoksi EEG:n avulla voidaan seurata tarkemmin neuraalista dynamiikkaa hereillä olevilla ihmisillä, ja sitä käytetään usein aivojen sähköisen vasteen määrittämiseen ärsykkeeseen tai tilaan.
EEG:n ensisijainen rajoitus on sen heikko spatiaalinen resoluutio, joka on paljon huonompi kuin fMRI:n. Vaikka tiedetään, että EEG-signaalit tulevat vain aivokuorelta, on edelleen erittäin vaikeaa tietää tarkasti, missä päin aivokuorta signaalit syntyvät.
Sen aivokuoren suuntautuneisuus tarkoittaa lisäksi sitä, ettemme voi mitata sen avulla, mitä tapahtuu hippokampuksessa, jossa monet muistot muodostetaan ja tallennetaan, tai substantia nigrassa tai striatumissa, jotka ovat alueita, joihin Parkinsonin tauti vaikuttaa. Toisin kuin fMRI:llä, EEG:llä ei siis ole oikeastaan mahdollista kartoittaa aktiivisuutta.
Elektrokortikografia (EKG)
Elektrokortikografia on samankaltainen kuin EEG siinä mielessä, että sillä mitataan miljoonien neuronien yhteenlaskettua aktiivisuutta, usein oskilloivien aaltojen muodossa. Siinä on kuitenkin kaksi merkittävää eroa. Ensinnäkin EKG edellyttää elektrodiryhmän asettamista päänahan alle, joten se vaatii leikkauksen. Tästä syystä EKG soveltuu vain potilaille, joille on jo suunniteltu lääketieteellinen leikkaus, johon liittyy päänahan avaaminen.
Toiseksi EKG mahdollistaa huomattavasti paremman aktiivisuuden lähteen paikallistamisen sekä korkeamman taajuuden sähköisen aktiivisuuden tallentamisen. Molemmat näistä ominaisuuksista ovat avuksi epilepsiakirurgian aikana, mutta puhtaasti tutkimustarkoituksiin tekniikka on liian invasiivinen käytettäväksi ihmisillä, jotka eivät jo tarvitse aivoleikkausta.
Yhteenveto
Neurotieteilijät ovat oikeutetusti rajoitettuja sen suhteen, millaisia lähestymistapoja he voivat käyttää ihmisen aivotoiminnan tutkimiseen. Toistaiseksi ei kuitenkaan ole olemassa tekniikkaa, joka mahdollistaisi yksityiskohtaisen hermosolujen toiminnan tallentamisen ihmisen kallon läpi, mikä tarkoittaa, että ne toimenpiteet, joita voimme tehdä, antavat melko karkeaa tietoa siitä, miten aivomme toimivat. Näitä alueellisen ja ajallisen resoluution rajoja parannetaan epäilemättä lähitulevaisuudessa, mikä mahdollistaa tarkemmat mittaukset ja paremman ymmärryksen ihmisen aivotoiminnasta. Lisäksi täydentävät lähestymistavat, jotka mahdollistavat neuronaalisen prosessoinnin tilapäisen keskeyttämisen, auttavat meitä ymmärtämään, millaiset alueelliset aivojen toimintahäiriöt voivat johtaa mielenterveyden häiriöihin liittyviin kognitiivisiin häiriöihin.
QBI Laboratories using fMRI
- Professori Jason Mattingley
- Associate Professor Ross Cunnington
- Professori Tianzi Jiang
QBI Laboratories using EEG
- Professori Jason Mattingley
- Associate Professor Ross Cunnington