Tulostettava versio

Tutkija Nelli Salminen suosikkilelunsa äärellä. MEGlaitteella tutkijat pääsevät perehtymään aivojen sähkökemiaan.

Aalto-yliopiston tutkija Nelli Salminen kumosi yli 60 vuotta eläneen teorian siitä, miten ihmisaivot päättelevät äänen tulosuunnan.

Lähestyvä auto, päätä kiertävä kärpänen. Pystymme pienistä vihjeistä aistimaan niiden suunnan jopa asteen tarkkuudella. Surisevaa kärpästä lähinnä olevaan korvaan ääni saapuu hieman aikaisemmin ja voimakkaampana. Samalla aivokuoren kuuloalue syttyy magneettikuvissa hehkumaan keltaisena. Silti tutkijat ovat vasta alkutaipaleella kuuloaistin toimintaperiaatteiden selvittämisessä.

– Tiedämme jo paljon siitä, mitä aivokuorella tapahtuu, mutta kokonaisuutta ei vielä ymmärretä, tutkija Nelli Salminen kertoo.

Esimerkiksi suuntakuulon aivotoiminnasta on eläintutkimusten pohjalta kehitetty kaksi vaihtoehtoista teoriaa. Toisen niistä esitti Texasin yliopiston edesmennyt psykologian professori Lloyd Jeffress jo vuonna 1948. Hän päätteli, että jokaiselle äänen tulosuunnalle on aivokuorella omat hermosolunsa, jotka aktivoituvat, kun ääni tulee täsmälleen kyseisestä suunnasta. Jeffresin esittämästä paikkakooditeoriasta tuli nopeasti osa tieteellistä kaanonia.

– Se oli niin kaunis malli, että ihmiset ovat halunneet uskoa siihen, Salminen kertoo.

– Lisäksi, hän jatkaa, Jeffress oli oikeassa.

Ainoa vika oli, että hänen teoriansa pätee vain linnuille, ei ihmisille. Eläinkokeet antoivat ristiriitaisia tuloksia. Linnuilla teoria näytti toimivan, mutta 2000-luvun alussa marsuilla ja kissoilla tehdyt kokeet antoivat viitteitä toisenlaisesta tavasta aistia äänen tulosuunta. Uusi puolikenttäkooditeoria oletti, että aivokuorella on vain kahdenlaisia äänen suuntaa aistivia hermosoluja. Toiset aktivoituvat vasemmalta tulevista äänistä, toiset oikealta tulevista.

Vastaväittäjä: uraauurtava tutkimus

Maaliskuussa 2011 brittiprofessori David McAlpine saa väitöstä seuranneet vaatimattomat suomalaiset melkein kiusaantumaan. Salmisen vastaväittäjä, äänen tulosuunnan havaitsemistutkimuksen ehdoton auktoriteetti, kuvaili väitöstyötä "nautinnolliseksi lukukokemukseksi" ja "uraauurtavaksi". McAlpine arveli, että jos Jeffress olisi elossa, hän lähtisi etsimään todistusta teorialleen samoilla menetelmillä kuin Salminen.

Nelli Salminen kollegoineen oli ensimmäisenä maailmassa onnistunut todistamaan, että ihmisen suuntakuulo perustuu juuri puolikenttäteoriaan. Tutkimuksessa mitattiin ihmisaivojen aktiviteettia MEG-laitteella, joka mittaa hermosolujen aktivoitumisen synnyttämiä heikkoja magneettikenttiä. Mittausten tuloksia verrattiin laskennallisten mallien tuottamiin ennusteisiin. Puolikenttäkoodin tuottamat ennusteet vastasivat täydellisesti mittaustuloksia.

– Väitöstilaisuudesta jäi todella hyvä fiilis. Kun pääsi alkujännityksestä, sitä vain jutteli omasta työstään itseään vanhemman ja viisaamman tutkijan kanssa.

Heureka-hetki Otaniemessä

Yhtä jännittävä hetki oli kesällä 2008, kun Salminen mittausten ollessa loppusuoralla analysoi tuloksia ensi kertaa. Kymmenen koehenkilöä oli jo istunut BioMag-laboratoriossa Meilahden sairaalan kellarissa kuulokkeet korvilla, pää MEG-laitteen kypärässä, esittelemässä aivotoimintaansa tutkijoille. Kuulokkeiden eri suunnista saapuvien pihahdusten aivokuorella synnyttämät hermoimpulssit tallennettiin millisekunnin tarkkuudella.

Salminen vertasi ensi kertaa mittaustuloksia aiemmin laatimiinsa ennusteisiin. Nyt selviäisi, kumpaa teoriaa ihmisen aivot noudattavat.

– Silloin jännitti. Istuin Otaniemessä työhuoneessani, zombiena koneen ääressä.

Ruudulle piirtyi käyrä, joka muodosti täydellisen vastineen puolikenttäkoodin ennusteelle.

– Pahin pelkoni oli, ettei mittausdata sopisi kumpaankaan teoriaan. Oli hieno fiilis todeta, että se sopi.

Salminen ja hänen kollegansa Aallon Mind and Brain Laboratory -ryhmästä julkaisivat tuloksensa loppuvuonna 2009. Vuoden 2010 lopussa myös kilpaileva ryhmä Nottinghamin yliopistosta päätyi samaan johtopäätökseen, hieman eri menetelmin.

Uutta audiotekniikkaa tulossa

Julkaisulla on vaikutusta koko tieteenalalle. Alan oppikirjat menevät uusiksi. Monet akustiikan alan sovellukset perustuvat teoriaan, jonka Salminen tyrmäsi väitöskirjassaan. Oletko syypää siihen, että tieteellinen kaanon menee uusiksi?

– On tässä sellainen riski olemassa. Mutta omaksi puolustuksekseni täytyy sanoa, että joku muu ehdotti sitä ensin, Salminen naurahtaa.

Nyt Salminen on todistanut uuden teorian pätevyyden kokeellisesti. Se avaa mahdollisuuksia aivan uusille sovelluksille. Esimerkiksi nykyisissä kuulolaitteissa on tuotekehityksen varaa. Kuulolaitteet eivät pysty välittämään äänen suuntatietoa aivoille. Eri korvista aivoihin menevä ääni on "eri paria".

– Sekin on vielä pieni ongelma. Suurempi on, että kuulolaitteilla kuullaan huonosti meluisassa ympäristössä, Salminen jatkaa.

Suuntakuulo on tässäkin avainasemassa. Ihmisen kyky suodattaa äänisignaali hälyäänistä perustuu siihen, että aivot ymmärtävät kuunneltavan äänen tulosuunnan.

– Puhe erotetaan paljon paremmin taustamelusta, jos puhe ja taustamelu tulevat eri suunnista.

Salmisen perustutkimus onkin herättänyt kiinnostusta.

– Audioinsinöörit ovat kamalan kiinnostuneita siitä mitä minä teen. Heidän mallinsa ovat aiemmin perustuneet teoriaan paikkakoodista. Kun aivotutkija romuttaa käsityksen, se herättää uteliaisuutta.

Toinen äänentoistosovellus voisi olla vaikkapa kuulokkeet, joista ääni kuuluisi kuten kaiuttimista. Nykyisissä stereokuulokkeissa ääni tuntuu soivan pään sisällä, sillä oikea kanava ei kuulu vasempaan korvaan, eikä päinvastoin.

Väitöskirjan valmistuminen ei aiheuttanut mullistusta työelämässä. Salminen jatkaa postdoc-tutkijana professori Mikko Samsin ryhmässä. Aalto-yliopiston poikkitieteellinen Mind and Brain Laboratory tutkii aivojen toimintaa erilaisin kuvantamismenetelmin. Esimerkiksi ryhmän Aivoaalto-hankkeessa tutkitaan elokuvien vaikutusta aivoihin insinöörien, taloustieteilijöiden ja elokuvataiteilijoiden voimin.

Helsingin yliopiston kasvatti suhtautuu Aalto-hankkeeseen myönteisesti.

– Olen hyvin toiveikas. Tuntuu siltä, että täällä on kannuste tehdä kunnianhimoista tutkimustyötä.