TieTeessä TapahTuu
Monitieteellinen aivotutkimus
Synnöve Carlson
PÄÄKIRJOITUS
Viimeisten kolmen vuosikymmenen aikana aivotutkimus on noussut yhdeksi houkuttele- vimmista tieteenaloista. Nopea teknologinen kehitys on antanut aivotutkimukselle menetel- miä, jollaisista puoli vuosisataa sitten ei osattu uneksiakaan. Tietämys aivojen toiminnoista on kasvanut huimasti. Nopea menetelmäkehitys on muuttanut aivotutkimuksen luonteeltaan moni- tieteelliseksi. Erityisesti teknisten alojen erityis- osaajien tarve lisääntyy jatkuvasti. Menetelmi- en kehittyminen on herättänyt aivotutkimuksen tarpeen myös monilla sellaisilla tieteenaloilla, joissa aivotutkimusta ei aiemmin tehty. Tulok- sena on monitieteellinen joukko tutkijoita, joi- den yhteisenä päämääränä on kartuttaa tietoa ja ymmärrystä aivojen toiminnasta, mutta jonka päämäärän saavuttaminen voi yhteisen kielen puuttuessa olla vaikeaa.
Aivotutkimuksen eteneminen on aina ollut sidoksissa menetelmälliseen kehitykseen. Yksi historian vaikutusvaltaisimmista aivotutkijois- ta oli espanjalainen neuroanatomi Santiago Ramón y Cajal, joka 1800-luvulla onnistui liit- tämään aikalaisensa Camillo Golgin kehittämän hopeavärjäysmenetelmän aivokudosta koske- viin mikroskooppitutkimuksiinsa. Golgin vär- jäysmenetelmän avulla oli mahdollista tarkastel- la yksittäisiä hermosoluja ulokkeineen. Vaikka Golgi oli kehittänyt värjäysmenetelmän jo vuo- sia aiemmin, vasta Cajal menetelmän käyttöön otettuaan havaitsi, että aivokudos ei ollutkaan yhtenäistä verkkomaista massaa – kuten siihen aikaan yleisesti otaksuttiin – vaan muodostui erillisistä hermosoluista.
Nyt – toista sataa vuotta myöhemmin – aivotut- kimuksen käytössä on lukuisia uusia tutkimusme- netelmiä. Esimerkiksi positroniemissio tomografia (PET) ja toiminnallinen mag neettikuvantaminen
(fMRI) tuottavat tietoa aivojen aktivaatioiden pai- kasta sekä aivosähkökäyrä (EEG) ja sähköiseen toimintaan liittyvien heikkojen magneettikent- tien mittausmenetelmä, magnetoenkefalografia (MEG), aktivaation tarkasta ajoituksesta. Aivo- jen toimintaa voidaan tutkia myös stimuloimalla aivoja neurokirurgisessa leikkauksessa asetettu- jen elektrodien kautta tai noninvasiivisesti kallon läpi aivoihin kohdistettavan magneettistimulaa- tion avulla. Myös farmakologiset ja molekyyli- biologiset menetelmät antavat mahdollisuuden tutkia käyttäytymisen taustalla olevia neurobiolo- gisia mekanismeja.
Vasta noin viisitoista vuotta sitten julkaistiin ensimmäinen työ, jossa ihmisaivojen toimintaa tutkittiin magneettikuvantamisen avulla. Tutki- muksessa näytettiin miten näköaivokuori akti- voitui näköstimulaation seurauksena. Toimin- nallisesta magneettikuvantamisesta on kuluneina vuosina tullut valtavan suosittu, koska menetel- mä on tutkittavalle harmiton ja voidaan tarvitta- essa toistaa useita kertoja. Teknisesti tutkimuksen suorittaminen ei ole vaikeaa, mutta koeasetel- mien luominen ja saatavan tiedon jälkikäsittely vaativat hyvää perehtyneisyyttä sekä aivojen toi- mintaan että itse menetelmään. Tutkittava ase- tetaan magneettitutkimuslaitteeseen, jossa on voimakas magneettikenttä ja jossa sopivasti valit- tujen kuvaussekvenssien avulla saadaan esiin hermosolujen aktivoitumiseen liittyvän paikalli- sen verenkierron muutoksen aiheuttama signaa- li. Tutkimuslaitteen toiminnan ymmärtäminen edellyttää erityisosaamista ja niinpä kaikissa tätä menetelmää käyttävissä tutkimuslaboratorioissa toimii myös alaan erikoistuneita fyysikkoja. Tut- kimuksesta saatavan signaalin ja kuvien jälkikä- sittely vaatii myös kouluttautumista ja useiden eri alojen edustajien yhteistyötä.
T i e T e e s s ä Ta pa h T u u 1 / 2 0 0 8 1
Monitieteisyys on ollut aivotutkimuksen nopean kehityksen edellytys, mutta on vienyt vuosia, että eri alojen edustajat ovat oppineet ymmärtämään toisiaan. Fyysikkojen käyttämä kieli on hyvin erilaista kuin neurotieteilijöiden tai kliiniseen työskentelyyn osallistuvien lääkä- reiden. Eri tieteenalojen edustajien on pereh- dyttävä myös itselleen vieraampiin aloihin pys- tyäkseen ymmärtämään, mitä kysymyksiä eri menetelmillä voidaan tutkia ja toisaalta miten menetelmiä tulisi kehittää, jotta tärkeisiin aivo- tutkimukseen liittyviin kysymyksiin saataisiin vastauksia.
Merkittävä osa aivotutkimuksesta tehdään edelleenkin terveillä henkilöillä, jolloin tar- koituksena on oppia ymmärtämään terveiden aivojen toimintaa ja normaalin käyttäytymisen taustalla olevia hermostollisia mekanismeja. On tavallista, että tietystä kognitiivisesta toiminnas- ta halutaan saada monipuolisesti tietoa useiden eri menetelmien avulla ja jopa yhtä aikaa näitä menetelmiä käyttäen. Tutkittavalle voidaan suo- rittaa samanaikaisesti esim. toiminnallinen mag- neettikuvaus ja EEG-mittaus. Kahden menetel- män yhdistäminen on haasteellista. Sähköisen signaalin mittaaminen magneettitutkimuslait- teessa edellyttää tarkoitusta varten kehitettyjä EEG-mittauslaitteita ja sähköfysiologisten mit- tausmenetelmien erityisosaamista. Myös mitat- tujen sähköisten signaalien jälkikäsittelyyn ja tulkintaan tarvitaan perehtyneisyyttä, jota ei välttämättä ole magneettitutkimuksiin erikois- tuneella tutkijalla. Onkin tavallista, että aivo- tutkimusryhmässä työskentelee neurotieteen edustajien (lääkärit, neuropsykologit, neurobio- logit) lisäksi eri mittausmenetelmiin ja signaa- lin- ja kuvankäsittelyyn perehtyneitä fyysikkoja ja matemaatikkoja.
Menetelmäkehitys ja kasvava kiinnostus aivotutkimuksen mahdollisuuksiin on johtanut myös siihen, että aivojen toimintaan liittyviä kysymyksiä halutaan selvittää sellaisillakin tie- teen aloilla, jotka eivät aiemmin ole olleet juu- rikaan kosketuksissa aivotutkimuksen kanssa.
Aivotutkimuksen monipuoliset menetelmät on otettu käyttöön esimerkiksi selvitettäessä kysy- myksiä ympäristön ja geneettisten tekijöiden
vaikutuksista yksilön kehitykseen, käyttäytymi- seen ja sairauksien puhkeamiseen, syömishäiriö- tutkimuksessa, musiikkiin ja kuvataiteisiin liit- tyvien kysymysten selvittämisessä jne.
Monien neurologisten ja psykiatristen sai- rauksien mekanismeja ei vielä tunneta ja on ymmärrettävää, että aivotutkimuksen nopea kehitys on herättänyt suuria odotuksia myös potilaiden hoidosta vastaavien keskuudessa.
Uusia menetelmiä soveltava kliininen aivotutki- mus on kuitenkin vasta tiensä alussa eikä aivo- tutkimuksen monitieteisyys ja menetelmien nopea kehitystahti tee tämän tien kulkemista helpoksi.
Parhaatkaan menetelmät ja niiden antamat tulokset eivät vie tutkimusta eteenpäin ilman oivaltavaa havainnoijaa. Ilman Cajalia olisi voi- nut kulua vielä vuosia tai kenties vuosikym- meniä ennen kuin Golgin hopeavärjäysme- netelmällä käsitellyn aivoleikkeen välittämän näkymän merkitys olisi oivallettu. Huippuha- vaintoihin tarvitaan asianmukaiset laitteet ja menetelmät, mutta ei välttämättä ulkonaises- ti komeita tutkimuslaboratorioita. Golgi kehit- ti värjäysmenetelmiään keittiöön rakennetussa laboratoriossa, ja myös Cajal sovelsi menetel- mää keittiössään. Aivotutkimuksen rajoitteena ei tällä hetkellä ole menetelmien puute. Ehkä suurin haaste liittyy menetelmien moninaisuu- teen, niiden korkeaan teknologian asteeseen ja eri alojen korkeasti koulutettujen henkilöiden kykyyn kommunikoida keskenään. Onneksi useat teknilliset korkeakoulut tarjoavat nykyi- sin koulutusta bioinformaatioteknologiaan, jos- sa opiskelijat jo varhaisessa vaiheessa tutustu- vat luonnontieteiden ja lääketieteen eri alueisiin sekä niissä tehtävän tutkimuksen tietoteknisiin haasteisiin. Kasvamassa on uusi teknisten alojen taitajien sukupolvi, jonka tuella monitieteellisen aivotutkimuksen voi odottaa johtavan aivojen normaalin ja poikkeavan toiminnan yhä syvem- pään ymmärrykseen.
Kirjoittaja on johtava tutkija Teknillisen korkea
koulun kylmälaboratoriossa ja fysiologian profes
sori Tampereen yliopistossa.
2 T i e T e e s s ä Ta pa h T u u 1 / 2 0 0 8
