Tuomas Puolivälin (vas.) yksi tärkeä tutkimuslaite on 200 000 euron hintainen EEG-mittalaite, jonka 256 sensoria mittaavat aivojen sähköistä toimintaa. Koehenkilönä kuvassa on Puolivälin kollega Sheng Wang.
Tuomas Puoliväli
Kuvaaja
Helena Hagberg
Kirjoittaja
Petja Partanen

Kurkistus pään sisään

Neurotutkija Tuomas Puoliväli selvittää näköaistin salaisuuksia. Pian alkavissa mittauksissa voi paljastua, miten näköhavainnot päätyvät tietoisuuteemme.

Vain pieni osa omin silmin näkemästämme päätyy koskaan aivojemme prosessoitavaksi. Silti tärkeät asiat jäävät meiltä vain harvoin huomaamatta. Se, miten näköhavainnot seuloutuvat tietoisuuteemme, ymmärretään vielä varsin huonosti.

– Me tutkimme tätä kynnysnäkötehtävillä, kertoo tohtorikoulutettava Tuomas Puoliväli.

Tutkija laittaa tehtäväsarjan pyörimään edessäni olevalle monitorille. Viereisellä pöydällä minua tuijottaa styrox-pää, jonka hiuksina toimii yksi Puolivälin mittalaitteista, 256 sensoria sisältävä EEG-kypärä, valmiina mittaamaan aivojen sähköistä toimintaa.

Juuri ja juuri havaittava muutos edessäni olevalla ruudulla näyttää vähäpätöiseltä, mutta tutkija vakuuttaa, että pääni sisällä käy parhaillaan melkoinen vipinä. Vain 50 millisekunnissa tieto välittyy verkkokalvolta takaraivossa sijaitsevalle näköaivokuorelle. Sieltä hermosolut taas siirtävät tiedon prosessoitavaksi eteenpäin.

Vain 50 millisekunnissa tieto välittyy verkkokalvolta takaraivossa sijaitsevalle näköaivokuorelle.

– Kynnysnäkötehtävien avulla pääsemme käsiksi siihen, mitkä prosessit aivoissa auttavat ärsykkeen pääsemistä tietoisuuteen, Puoliväli selittää.

Aivotutkimuksen A-ryhmää

Tuomas Puolivälin työpaikan ovessa lukee Palva Lab. 20 tutkijan joukkoa vetää aviopari Satu ja Matias Palva, molemmat maailmalla hyvin siteerattuja aivotutkijoita. Palva Labin erikoisalaa on aivorytmien tutkimus. 

Puoliväli esittelee EEG-kypärään pukeutuneen koehenkilön mittausdataa. Kun eri puolilta päätä tulleita signaaleita katsoo tarkasti, ne ovat usein samassa vaiheessa. Tutkijoiden hypoteesi on, että eri aivoalueet voivat viestiä tehokkaasti keskenään vain, jos niiden oskillaatiot ovat sopivassa vaiheessa toisiinsa nähden.

Juuri Palva Labin aivojen oskillaatioiden tutkimus kiehtoi Puoliväliä. Kun palkittu gradu musiikin vaikutuksista aivojen toimintaan valmistui, päätti tietotekniikan maisteri Puoliväli kysyä töitä monitieteisestä tutkimusryhmästä.

– Olin lukenut heidän tutkimuspapereitaan, ja ajattelin että oskillaatioiden parempi ymmärtäminen veisi neurotiedettä eteenpäin.

Kuuloaistin toimintaan perehtyneen Puoli­välin tutkijankyvyt vakuuttivat laboratorion vetäjät, 
ja hän aloitti työt Palva Labissa vuonna 2017. 
Nyt työn alla on väitöskirja siitä, miten aivorytmit vaikuttavat visuaaliseen havaitsemiseen.

Aivorytmit esiin

Aivojen rytmistä toimintaa on jo vuosikymmeniä pystytty havaitsemaan aivosähkökäyristä (EEG). Mutta kun aivojen sähköinen toiminta halutaan myös paikantaa tarkasti, tarvitaan hienostuneempia kuvantamismenetelmiä. Puolivälin tärkein tutkimuslaite on syvälle Meilahden kampuksen kellarikerroksiin sijoitettu MEG- eli magnetoenkefalografialaite. Miljoonien arvoinen MEG-laite kertoo tarkasti, milloin ja millä aivoalueella tapahtuu vilkasta hermosoluviestintää, kun tutkittava henkilö tekee havaitsemistehtäviään.

Kun koehenkilö istuu MEG-laitteeseen, alkavat laitteen 306 anturia tallentaa mittaustietoa eri aivoalueiden magneettikenttien muutoksista 1 000 kertaa sekunnissa. Aivojen rytminen toiminta tallentuu mittausdataan millisekunnin tarkkuudella, ja näköhavaintoihin osallistuvat aivoalueet voidaan paikantaa tarkasti.

Juuri nyt Tuomas Puoliväli viimeistelee eettistä tutkimuslupahakemusta uudenlaiselle closed loop MEG -koeasetelmalle. Tähän saakka visuaalisia ärsykkeitä on esitetty koehenkilöille satunnaisin väliajoin. Nyt Puoliväli aikoo tehdä jotakin ensimmäisenä maailmassa. Niin koehenkilön sydämenlyönnit, silmän pupillin koon vaihtelut kuin eri aivoalueiden oskillaatiot analysoidaan reaaliajassa, ja tietoa hyödynnetään näkötehtävien ajoittamisessa.

Nyt puoliväli aikoo tehdä jotakin ensimmäisenä maailmassa.

– Näin voimme kontrolloida koeasetelmaa paremmin ja esittää ärsykkeitä koehenkilöille juuri tietyssä vaiheessa aivojen oskillaatiota.

Idea on uusi, ja teknisesti erittäin vaikea. 

– Kokeilemme sitä ensimmäisinä maailmassa tällaisiin havaitsemistehtäviin, Puoliväli kertoo.

Jos hyvin käy, uusi tutkimusmenetelmä tuo selityksen Puoliväliä kiusanneeseen havaintoon.

– Usein koehenkilö näkee saman ärsykkeen monta kertaa peräkkäin, mutta hetken päästä hän taas ei havaitse sitä.

Tutkijoiden oletus on, että eri aivoalueiden väliset vaihe-erot vaikuttavat havaitsemiseen. Aivo-oskillaatioiden lisäksi myös sydämenlyönneillä ja pupillin koolla on oma vaikutuksensa siihen, mitkä havainnot päätyvät tietoisuuteen.

– Uudella menetelmällä pystymme ensi kertaa tutkimaan näitä vaikutuksia.

Parhaimmillaan voi syntyä yleinen selitys sille, mitkä aivojen systeemitason mekanismit visuaaliseen havaitsemiseen oikein vaikuttavat. Jos näin kävisi, väitöstutkimuksesta tulisi todellinen bestseller.

– Se jää nähtäväksi. Katsotaan mitä mittauksista selviää, Puoliväli rauhoittelee.

Vuoden data-analyysi edessä

Kärsivällisyyttä ainakin tarvitaan. Jos yhden koehenkilön mittaus kestää 3–4 tuntia, voi analyysivaihe viedä 1–2 vuotta. Mittausdata sisältää paitsi kiinnostavan aivosignaalin, myös paljon kohinaa mittalaitteista sekä koehenkilön lihaksista ja sydämestä.

– Jos koehenkilö räpäyttää silmäänsä, me saamme siitä paljon suuremman signaalin kuin hänen aivoistaan.

Tietotekniikkataidoille on käyttöä niin datan siivouksessa kuin sen analyysissä. Aineiston käsittelyyn tarvitaan tuhansia rivejä Python-koodia.

– Suuri osa data-analyysista on ohjelmointia.

Ehkä kesällä 2020 selviää, onnistuivatko Palva Labin tutkijat ensimmäisinä selittämään, mitä tekemistä aivorytmeillä ja näköaistin toiminnalla on keskenään.

Puoliväli uppoutuu vielä pohtimaan, mikä häntä neurotieteissä kiehtoo. Fyysikot ovat jo melko hyvin onnistuneet selittämään miten maailma on syntynyt. Ihmisen olemuksessa on sen sijaan vielä paljon avoimia kysymyksiä.

– Neurotiede on vastaamassa näihin kysymyksiin. Tutkimus on juuri nyt erittäin jännittävässä vaiheessa.