IntelligenziaIntelligenzia

Neurotiede ja kognitio

Miten aivotutkimus ja neurotiede liittyvät kognitiotieteeseen. Aivojen kuvantaminen, hermosoluverkot ja kognitiivinen neurotiede.

Neurotiede tutkii hermostoa – aivoja, selkäydintä ja ääreishermoja. Kognitiivinen neurotiede yhdistää tämän kognitiotieteeseen ja kysyy: miten aivojen biologinen toiminta tuottaa mielen prosessit?

Tämä on yksi tieteen suurimmista kysymyksistä. Miten kolme kiloa hermokudosta tuottaa tietoisuuden, muistot, kielen ja ajattelun?

Mitä kognitiivinen neurotiede tutkii?

Kognitiivinen neurotiede tutkii aivojen ja mielen yhteyttä käyttäen sekä psykologian menetelmiä (käyttäytymiskokeet) että neurotieteen menetelmiä (aivojen kuvantaminen, vauriotutkimukset).

Keskeisiä tutkimuskysymyksiä

Lokalisaatio – Mitkä aivoalueet ovat erikoistuneet tiettyihin toimintoihin? Näkö, kuulo, kieli, muisti ja monet muut toiminnot ovat osittain paikannettavissa tiettyihin aivoalueisiin.

Konnektiviteetti – Miten aivoalueet kommunikoivat keskenään? Aivot eivät ole kokoelma erillisiä moduuleita vaan verkosto, jossa tieto virtaa alueiden välillä.

Plastisuus – Miten aivot muuttuvat oppimisen ja kokemuksen myötä? Aivojen rakenne ja toiminta muovautuvat läpi elämän.

Kehitys – Miten aivot kehittyvät sikiöstä aikuisuuteen? Miten kehityshäiriöt syntyvät?

Vauriot ja sairaudet – Mitä aivovauriot ja neurologiset sairaudet kertovat mielen toiminnasta?

Aivojen kuvantamismenetelmät

Modernin kognitiivisen neurotieteen kehitys perustuu aivojen kuvantamisteknologioiden kehitykseen:

fMRI (funktionaalinen magneettikuvaus)

fMRI mittaa aivojen verenvirtausta ja hapen kulutusta. Kun aivoalue aktivoituu, se tarvitsee enemmän happea, ja tämä näkyy fMRI-signaalissa.

Vahvuudet:

  • Hyvä spatiaalinen resoluutio (millimetrien tarkkuus)
  • Ei-invasiivinen, ei säteilyä
  • Näyttää koko aivojen toiminnan

Heikkoudet:

  • Heikko ajallinen resoluutio (sekuntien tarkkuus)
  • Mittaa epäsuorasti hermosolujen toimintaa
  • Kallis ja liikkumaton laitteisto

EEG (aivosähkökäyrä)

EEG mittaa aivojen sähköistä toimintaa pään pinnalle asetettujen elektrodien avulla.

Vahvuudet:

  • Erinomainen ajallinen resoluutio (millisekuntien tarkkuus)
  • Edullinen ja helposti siirrettävä
  • Mittaa suoraan hermosolujen sähköistä toimintaa

Heikkoudet:

  • Heikko spatiaalinen resoluutio
  • Signaalin lähteiden paikannus vaikeaa
  • Herkkä lihasartefakteille

MEG (magnetoenkefalografia)

MEG mittaa aivojen sähköisen toiminnan tuottamia magneettikenttiä. Suomi on MEG-tutkimuksen johtavia maita.

Vahvuudet:

  • Erinomainen ajallinen resoluutio
  • Parempi spatiaalinen tarkkuus kuin EEG:llä
  • Signaalit eivät vääristy kallon läpi

Heikkoudet:

  • Erittäin kallis laitteisto
  • Vaatii magneettisesti suojatun huoneen
  • Harvoin saatavilla

PET (positroniemissiotomografia)

PET käyttää radioaktiivisia merkkiaineita aivojen toiminnan, kuten verenvirtauksen tai välittäjäaineiden, mittaamiseen.

Vahvuudet:

  • Voi mitata välittäjäainejärjestelmiä
  • Mahdollistaa molekyylitason kuvantamisen

Heikkoudet:

  • Vaatii radioaktiivisia aineita
  • Heikko ajallinen resoluutio
  • Säteilyaltistus

Aivojen rakenne ja toiminta

Aivokuori

Aivokuori on aivojen uloimmaisin kerros ja kognitiivisten toimintojen keskus:

Otsalohko – Päätöksenteko, suunnittelu, persoonallisuus, motoriikka Päälakilohko – Tilan hahmotus, numerot, huomio Ohimolohko – Kuulo, kieli, muisti Takaraivolohko – Näkö

Limbinen järjestelmä

Syvemmällä aivoissa sijaitseva rakenteiden kokonaisuus, joka käsittelee tunteita ja muistia:

Hippokampus – Muistin muodostus, tilallinen navigointi Mantelitumake (amygdala) – Tunteiden, erityisesti pelon, käsittely Talamus – Sensorisen tiedon reititys aivokuorelle

Hermosoluverkot

Aivot koostuvat noin 86 miljardista hermosolusta, joiden välillä on biljoonia kytkentöjä. Kognitiiviset toiminnot eivät synny yksittäisissä hermosoluissa vaan niiden muodostamissa verkoissa.

Oppiminen muuttaa näitä verkkoja: uusia kytkentöjä syntyy, olemassa olevat vahvistuvat tai heikkenevät. Tämä on aivojen plastisuuden perusta.

Kognitiivinen neurotiede Suomessa

Suomi on kognitiivisen neurotieteen merkittävä toimija:

Aalto-yliopisto

Suomen johtava aivojen kuvantamiskeskus. MEG-laboratorio on yksi maailman parhaista. Tutkimus keskittyy laskennalliseen neurotieteeseen, sosiaaliseen kognitioon ja aivojen konnektiviteettiin.

Helsingin yliopisto

CBRU-yksikkö on tutkinut musiikin ja puheen prosessointia aivoissa vuosikymmeniä. MMN-menetelmä (mismatch negativity) kehitettiin Helsingissä.

Turun yliopisto

Turun PET-keskus on Suomen johtava molekulaarisen neurokuvantamisen yksikkö. Tutkimus kattaa tunteet, sosiaalisen kognition ja välittäjäainejärjestelmät.

Jyväskylän yliopisto

Musiikin ja liikkeen neurotieteen tutkimus. Monitieteinen lähestymistapa yhdistää psykologian, neurotieteen ja musiikkitieteen.

Keskeiset löydökset

Kognitiivinen neurotiede on tehnyt merkittäviä löydöksiä:

Peilisolujen löytö – Hermosolut, jotka aktivoituvat sekä oman toiminnan aikana että toisten toimintaa havaitessa. Liittyy empatiaan ja ymmärrykseen.

Muistin konsolidaatio – Hippokampus on kriittinen uusien muistojen muodostuksessa, mutta pitkäkestoiset muistot siirtyvät aivokuorelle.

Aivojen lepotilan verkosto – Aivot ovat aktiivisia myös levossa. "Default mode network" aktivoituu, kun emme keskity ulkoisiin tehtäviin.

Plastisuus aikuisuudessa – Aiemmin uskottiin, että aivot lakkaavat muuttumasta aikuisuudessa. Nyt tiedetään, että plastisuus jatkuu, vaikka se hidastuukin.

Sovellukset

Kognitiivinen neurotiede vaikuttaa monilla aloilla:

Neurologia ja psykiatria – Aivotutkimus parantaa neurologisten ja psykiatristen sairauksien diagnostiikkaa ja hoitoa.

Aivokäyttöliittymät – Teknologia, joka lukee aivosignaaleja ja mahdollistaa kommunikaation tai laitteiden ohjauksen ajatuksen voimalla.

Oppiminen – Ymmärrys aivojen plastisuudesta ja muistin toiminnasta ohjaa tehokkaampien oppimismenetelmien kehittämistä.

Tekoäly – Neuroverkkomallit, jotka ovat nykyisen tekoälyn perusta, ovat inspiroituneet aivojen rakenteesta.

Lue lisää