Väitöskirja "Cognitive Representations in the Sensory and Memory Systems of the Human Brain: Evidence from Brain Damage and MEG"

Lisännyt Laura Nurmi 3. tammikuuta 2018

Jussi Valtonen

Helsingin yliopisto ja Johns Hopkins University, USA

 

 

Ihmisaivoissa muodostetaan maailmasta kognitiivisia edustumia, joiden varassa pystymme tekemään aistihavaintoja, toimimaan maailmassa ja muistamaan, mitä on tapahtunut. Edustumien luonnetta ja hermostollista perustaa ei kuitenkaan täysin tunneta. Eri menetelmillä kognitiivisten edustusten tutkimiseen on kognitiivisessa neurotieteessä omat vahvuutensa ja rajoituksensa, jotka vaikuttavat siihen, millaisiin kysymyksiin niillä voidaan vastata.

Väitöskirjan yhtenä tavoitteena oli hankkia uutta kokeellista näyttöä kognitiivisista edustumista ja niiden hermostollisesta perustasta terveiden ihmisaivojen aisti- ja muistijärjestelmissä. Toisena tavoitteena oli arvioida kognitiivisen neurotieteen eri menetelmien etuja ja rajoituksia. Erityisesti väitöskirjassa haluttiin tarkastella logiikkaa, jolla aivovaurioista kärsiviä potilaita tutkimalla voidaan selvittää normaalien tiedonkäsittelyprosessien toimintaa ja mielensisäisten edustumien luonnetta terveissä aivoissa, ja arvioida tämän tutkimusperinteen etuja ja rajoituksia muihin kognitiivisen neurotieteen menetelmiin kuten aivokuvantamismenetelmiin verrattuna.

Terveiden aivojen toimintaa selvitettiin kolmessa väitöskirjan neljästä osatutkimuksesta kokeellisesti tutkimalla aivovaurioista kärsiviä potilaita, joiden tiedonkäsittelykyvyt eivät toimi normaalisti. Yksi koehenkilöistä oli potilas LSJ, joka on sairastanut herpes simplex -viruksen aiheuttaman aivotulehduksen. LSJ:n aivojen mediaalisten temporaalialueiden (MTL) rakenteet ovat vaurioituneet molemminpuolisesti ja hippokampus on tuhoutunut lähes täydellisesti. Aivovaurionsa seurauksena LSJ kärsii poikkeuksellisen vaikeasta retro- ja anterogradisesta muistihäiriöstä, ja hänen kykynsä deklaratiivisen aineksen oppimiseen on poikkeuksellisen syvästi heikentynyt.

Hippokampusvaurioiden tiedetään aiheuttavan deklaratiivisen muistin häiriöitä eli vaikeuksia muodostaa tosiasioista ja tapahtumista uusia muistiedustumia, jotka ovat tietoisesti palautettavissa. Hyvin yksinkertainen motorinen oppiminen sitä vastoin ei näytä olevan yhtä riippuvainen hippokampuksesta. Ennen väitöskirjatutkimusta ei kuitenkaan tiedetty, onko motorinen oppiminen mahdollista ilman hippokampusta myös silloin, kun oppimiskonteksti on tiedonkäsittelyvaatimuksiltaan monimutkainen.

Yksi kognitiivisesti erityisen haastava oppimiskonteksti on uuden musiikkikappaleen esittäminen. Musiikin esittämistä nuoteista pidetään yhtenä kognitiivisesti haastavimmista sarjallista taitoa edellyttävistä toiminnoista, joihin ihminen pystyy. Ennen sairastumistaan potilas LSJ oli taitava amatöörimuusikko, ja hänen kykynsä soittaa alttoviulua ja lukea nuotteja ovat valikoidusti säilyneet myös aivovaurion jälkeen. Koska LSJ:n aivoissa hippokampaalista kudosta ei ole säilynyt käytännössä lainkaan, hänen oppimiskykyään tutkimalla tarjoutui harvinainen tilaisuus selvittää, onko uutta musiikkia mahdollista oppia esittämään ilman hippokampusta.

Tutkimuksessa selvitettiin, voisiko LSJ oppia soittamaan uutta musiikkia nuoteista harjoittelun avulla hippokampusvauriostaan ja vaikeasta deklaratiivisen muistin häiriöstään huolimatta. LSJ:lle sävellytettiin kolme uutta musiikkikappaletta, joiden musiikilliseen kompleksisuuteen vaikuttavat tekijät (kuten sävellaji, tahtilaji, nuottien lukumäärä, asemanvaihdot ja kieltenylitykset) vakioitiin. LSJ harjoitteli kahta kappaleista, ja kolmatta käytettiin verrokkikappaleena.

Tulokset osoittivat, että LSJ soitti harjoittelukappaleet harjoittelemisen jälkeen paremmin kuin verrokkikappaleen, jota ei ollut harjoiteltu. Oppiminen näkyi sekä yksityiskohtaisissa määrällisissä että koko kappaletta koskevissa laadullisissa arvioissa sekä heti esitysten jälkeen että myös kaksi viikkoa myöhemmin arvioituna. Osatutkimus osoitti tietääksemme ensimmäistä kertaa, että uusia muistiedustumien muodostaminen monimutkaisista musiikillisista sekvensseistä on mahdollista pelkkien ei-hippokampaalisten rakenteiden varassa.

Uusien muistiedustumien muodostamisen hermostollista perustaa tutkittiin väitöskirjassa myös toisessa osatutkimuksessa, jossa uusien muistiedustumien muodostamisen mahdollistavia aivorakenteita selvitettiin mittaamalla aivojen toiminnan synnyttämiä magneettikenttiä terveiltä koehenkilöiltä magnetoenkefalografialla eli MEG:llä. Aiempien tutkimusten perusteella tiedetään, että hippokampukseen ja MTL-alueisiin perustuva muistijärjestelmä aktivoituu, kun vaaditaan uuden sarjallisen aineksen nopeaa mieleenpainamista ja muistiaineksen tietoista palauttamista. Osatutkimuksessa selvitettiin, miten uusien muistiedustumien muodostaminen vaikuttaa epäolennaisten ääniärsykkeiden kortikaaliseen prosessointiin muistitehtävän aikana. Koehenkilöitä pyydettiin painamaan mieleen näönvaraisesti esitettyjä numerosarjoja, jotka pyydettiin palauttamaan esitysjärjestyksessä. Muistitehtävän aikana koehenkilöille esitettiin samalla ääniärsykkeitä, jotka olivat muistitehtävän kannalta epäolennaisia ja joista koehenkilöitä pyydettiin olemaan välittämättä.

Muistikuormitusta manipuloitiin eri koetilanteissa sen selvittämiseksi, miten MTL-alueisiin ja hippokampukseen perustuvan muistijärjestelmän kuormittaminen vaikuttaa epäolennaisten äänten kortikaaliseen prosessointiin. Tulosten mukaan epäolennaisten äänten kortikaalinen prosessointi lisääntyi muistikuorman kasvaessa. Matalan muistikuorman aikana mitattujen, kuuloaivokuorella syntyvien N1m-vasteiden amplitudit olivat suurempia kuin koetilanteessa, jossa muistikuormaa ei ollut. Korkeimmat N1m-amplitudit mitattiin koetilanteessa, jossa muistikuormitus oli korkein.

Näiden kahden eri osatutkimuksen tulokset viittaavat siihen, että monet eri aivoalueet varhaisista sensorisista alueista saakka toimivat terveissä ihmisaivoissa koordinoidusti yhdessä MTL/hippokampaalisen muistijärjestelmän kanssa, kun uusia muistiedustuksia muodostetaan.

Väitöskirjan kahdessa muussa osatutkimuksessa selvitettiin, miten avaruudellinen tieto esineiden orientaatiosta on edustettuna näköjärjestelmässä. Yhtenä koehenkilönä oli potilas BC, joka kärsii näköinformaation käsittelyyn vaikuttavasta kognitiivisesta häiriöstä. Kokeelliset tulokset potilas BC:ltä osoittivat, että avaruudellinen orientaatio on näköjärjestelmässä edustettuna kompositionaalisesti siten, että viivaorientaation kallistussuunta pystysuorasta mielensisäisestä meridiaanista on edustettu kallistuskulmasta riippumatta. Häiriön kognitiivinen locus viittasi siihen, että edustumat ovat supramodaalisia eli useita aistipiirejä kattavia. Potilas BC:n ja muiden kognitiivisista häiriöistä kärsivien potilaiden, TM:n ja AH:n, koetulosten perusteella laadittiin teoreettinen viitekehys, orientaatioedustumien koordinaatistohypoteesi COR, jonka avulla orientaatiovirheitä voidaan tulkita.

Metodologisesti väitöskirjan eri osatutkimukset osoittavat, kuinka kognitiivisessa neurotieteessä eri menetelmillä kerätty tieto mielen ja aivojen toiminnasta täydentää toisiaan. Erityisenä metodologisena näkökulmana väitöskirjassa tarkasteltiin sitä, kuinka aivovauriopotilaiden kognitiivisista häiriöistä saadaan kokeellisilla menetelmillä hyödyllistä perustutkimuksellista empiiristä tietoa ihmisen tiedonkäsittelyprosesseista ja niiden hermostollisesta perustasta terveissä aivoissa. Lähestymistavalla on muihin menetelmiin verrattuna rajoituksensa mutta myös omat erityiset vahvuutensa.

Väitöskirjassa suositellaan, että aivovaurioista kärsivien potilaiden kokeellista tutkimusta hyödynnettäisiin nykyistä laajemmin kognitiivisessa neurotieteessä, koska ne tarjoavat normaaleihin kognitiivisiin prosesseihin ja niiden taustalla oleviin aivorakenteisiin tarkastelupinnan, jollaista ei ole saatavilla muilla menetelmillä. Yhdistämällä potilastutkimuksia muihin kognitiivisen neurotieteen menetelmiin kuten aivokuvantamistutkimuksiin voidaan hankkia kokeellista näyttöä, jossa eri menetelmien vahvuudet ja rajoitukset täydentävät toisiaan.

 

Väitöskirja on luettavissa e-thesis-sivustolla: http://hdl.handle.net/10138/161456

Yhdistyksen jäsenet voivat kommentoida artikkeleita. Kirjaudu sisään kirjoittaaksesi kommentin.