Aivojen magneettikentät kertovat tunteista ja sairauksista — Helsingin BioMag-laboratorio on maailman huippua

Meilahden sairaalatunnelien uumenissa sijaitsevassa aivokuvantamisen laboratoriossa autetaan pieniä epilepsiapotilaita ja tehdään eturivin perustutkimusta.

Epilepsiapotilaita — usein lapsia — joudutaan yhä leikkaamaan, jos kohtauksia ei saada lääkkeillä kuriin. Jotta hoidosta koituisi mahdollisimman vähän haittaa, sähköhäiriöitä aivoihin tuottava kohta ympäristöineen pitää kartoittaa tarkoin. Kirurgi haluaa tietää milli milliltä, kuinka veistään kuljettaa ja kuinka kiertää tärkeiden aivotoimintojen alueet. Sama pätee aivokasvainten leikkauksiin.

Veitsenliikkeitä suunnittelevan voi olla viisasta tilata hissi, laskeutua kellariin ja pyytää apua. Meilahden sairaaloiden alla risteilevien tunnelien kainalossa sijaitsee nimittäin BioMag-laboratorio, joka kuuluu monipuolisimpiin aivokuvantamista tarjoaviin paikkoihin maailmassa.

Trukki sotkee tulokset

Potilas saa istua pehmeään, säädettävään penkkiin kypäränmallisen mittauslaitteen alle. Tukihenkilö voi tulla tarvittaessa viereen. Sitten tutkimushuoneen ovet ja suojaukset suljetaan huolella, sillä tiedossa on hyvin heikkojen magneettikenttien mittauksia. Tunneleissa liikkuvat trukit ja niiden kuljettamat sähkölaitteet sotkisivat helposti tuloksia.

— Vastaavia aivomagneettikäyrä- eli MEG-laitteita löytyy erityisesti Yhdysvalloista, Japanista ja Saksasta, mutta esimerkiksi norjalaisilla ei ole omaa, vaan sieltä ohjataan potilaita Helsinkiin mittauksiin, Hanna Renvall kertoo.

Renvall on paitsi lääkäri myös diplomi-insinööri, jonka opettajana Otaniemessä oli yksi modernin aivotutkimuksen pioneereista, akateemikko Riitta Hari. Nyt Renvall johtaa BioMag-laboratoriota ja on oikea ihminen kertomaan, mitä MEG oikeastaan tarkoittaa.

Kovaa pakkasta

Ihmisen aivotoiminta on sadan miljardin hermosolun välisissä kytkennöissä kulkevia impulsseja: jännitteitä ja sähkövirtaa ja niiden myötä myös magneettikenttiä.

Suomalainen tiede ja insinööritaito ovat olleet ratkaisevassa osassa, kun tutkimusvälineitä on opetettu lukemaan näitä heikkoja magneettikenttiä yhä tarkemmin. Näin aivotutkimus on harpannut lopullisen askeleen eteenpäin pelkkiin aivorakenteisiin nojautumisen aikakaudelta.

Nyt pystymme analysoimaan ja ymmärtämään myös reaaliaikaisia tapahtumia. Työskentelevien aivojen toimintaa ja hermosoluverkostoja on mahdollista seurata millisekunti millisekunnilta.

Aivomagneettikäyrän mittaus tosin vaatii järeän varustuksen, sillä tutkimuslaitteen 306 anturia toimivat vain erittäin alhaisissa lämpötiloissa. Mittakypärä onkin nestemäistä heliumia sisältävä termossäiliö, jonka sisällä vallitsee hurja pakkanen, -269 Celsius-astetta.

Ilmavirtaa iholle

Laitteen jykevyydestä huolimatta mittaus ei aiheuta tutkittavalle haittaa tai satu. Lääkitystä, radioaktiivisia aineita tai röntgensäteitä ei tarvita.

Tutkimus etenee vaikkapa niin, että potilas tekee sormillaan ohjeiden mukaista edestakaisia liikettä, kuuntelee hänelle soitettuja sanoja tai nimeää kuvaruudulle heijastettuja esineitä ja tapahtumia. Laboratoriossa on myös laite, jonka ilmavirralla voi antaa kevyitä tuntoärsykkeitä iholle.

Kun koetapahtumaa on toistettu riittävästi, ärsykkeiden synnyttämistä aivovasteista lasketaan keskiarvo, joka kertoo parhaimmillaan hyvin täsmällisesti, milloin ja millä aivoalueilla syntyi vilkasta hermosoluviestintää.

— Tutkimuksia on hyvin erilaisia. Kuuloaivokuoren paikannus voidaan saada hoidetuksi viidessä minuutissa, mutta epilepsiapotilasta saatetaan mitata tuntejakin, Renvall vertailee.

Oppimisen ja tunteiden tueksi

Pieni epilepsiapotilas on kuitenkin vain yksi monista laboratoriovieraista. BioMagissa tehdään miltei yhtä usein perustutkimusta kuin potilastyötä. Terveiden aivojen parempi tunteminen luo pohjan aivosairauksien ymmärtämiselle.

Anturien keräämän aikasarjadatan tulkitseminen on tutkimuksen keskeinen vaihe. Mitä kaikkea aineistosta pystytään saamaan esiin? Löytöjä tehdään tietokoneiden, insinöörien, matemaatikkojen ja yhä enemmän myös koneoppimisen asiantuntijoiden avulla.

BioMagissa tutkittavien ilmiöiden mittaamisen vaikeutta — eli aivojen tuottaman magneettikentän heikkoutta — on vaikea havainnollistaa. Magneettivuon tiheyden yksikkö, tesla, ei ole arjesta tuttu.

— Mittaamamme vasteet ovat femtoteslojen mittaluokkaa, joka on karkeasti ottaen sama kuin jakaisi Maan magneettikentän miljardilla, Renvall luonnehtii.

Hän kuvailee aivokuvantamisen näkymiä kutkuttaviksi.

— Monenlainen soveltava tutkimus alkaa juuri nyt olla mahdollista. Voimme kysyä tarkkaavaisuuteen, oppimiseen, muistiin, tunteisiin, sosiaaliseen kanssakäymiseen ja päätöksentekoon liittyviä kysymyksiä.

Kun tutkimusaiheeksi näin nousee elävä elämä, mittaaminen ja tulosten käsittely mutkistuvat. Samalla uudet koeasetelmat tuovat työhön lisäannoksen mielenkiintoa ja toiveita. Voidaanko vaikkapa Alzheimerin tauti lähitulevaisuudessa nähdä MEG-vasteista jo ennen oireiden alkamista?

Viulun kuva aivoissa

Renvall esittelee hanketta, jossa tietokoneelle opetettiin, millaisen vasteen esimerkiksi viulu-sanan kuuleminen tuottaa aivoissa.

Opittuaan sanan ja aivovasteen välisen yhteyden kone pystyi varsin hyvin ennustamaan aivovasteista, kumpaa kahdesta sanavaihtoehdosta koehenkilö oli kuunnellut.

— Löydös auttaa tutkijoita ymmärtämään, miten aivot käsittelevät kuulemansa sanan piirteitä ja mitkä sanapiirteet ovat aivojen kannalta tärkeitä.

Jo aiemmista MEG-tutkimuksista tiedetään, että ensimmäisten kymmenien millisekuntien aikana aivot käsittelevät sanan akustisia piirteitä ja siirtyvät sitten luokittelemaan sitä vaikkapa tutuksi suomen kieleksi.

— Sen jälkeen seuraa aivoja laajemmin aktivoiva ja pidempi vaihe, jonka aikana aivot käsittelevät merkitystä ja kontekstia. Jos järkevään virkkeeseen sijoittaa jonkin oudon, asiaankuulumattoman sanan, tämä vaihe venyy ja mitattu aivovaste on paljon voimakkaampi.

Aivovamman diagnoosi tarkentuu

Näin ”viulu” on yhtäkkiä muuttunut käyriksi koneen ruudulle. Ja jos niin tahdotaan, ”viulun” aivoista tunnistava kone voi myös rekonstruoida sanan ja lausua sen ihmisen puolesta. Kun koneen sanavarastoa kasvatetaan, se oppii ehkä vähitellen lukemaan ihmisen kuulemia tekstejä hänen aivoistaan.

— Kunhan häiriöitä ja kohinaa saadaan ajan mittaan vähemmäksi, Renvall toppuuttelee.

Toinen ajankohtainen projekti liittyy aivovamman merkkien tunnistamiseen ja tulkintaan.

— Siitähän on viime aikoina käyty julkistakin keskustelua, kuinka hankalaa onnettomuuden aiheuttamien aivotoiminnan häiriöiden arviointi nykykeinoilla on. Mutta ensimmäisissä MEG-töissämme olemme saaneet lupaavia tuloksia vammojen paranemisen seurannasta.

Meilahden kellarin odotushuoneeseen on yhä enemmän tulijoita.

Artikkeli on julkaistu Yliopisto-lehdessä Y/06/19.

Sähkökäyristä magneettikäyriin

Toiminnallisessa aivokuvantamisessa eli aivotapahtumien reaaliaikaisessa, kajoamattomassa seuraamisessa käytetään yleisesti kolmea tekniikkaa.

1) Aivosähkökäyrä (elektroenkefalografia, EEG) saadaan mittaamalla aivojen sähköistä toimintaa potilaan päänahalle kiinnitettävillä elektrodeilla. Ensimmäisen aivosähkökäyrän mittasi saksalaislääkäri Hans Berger vuonna 1924. EEG-mittausten aikatarkkuus on hyvä, mutta anturien kiinnittäminen on varsin työlästä, eikä paikkatieto aivojen aktivoitumisesta välity kallon ja muiden väliaineiden vuoksi tarkkana.

2) Toiminnallisessa magneettikuvauksessa (functional magnetic resonance imaging, fMRI) tarkkaillaan aivoissa virtaavan veren happipitoisuutta, joka kasvaa vilkkaan aivotoiminnan alueilla. Aivojen aktiiviset kohdat saadaan näin tarkennettua vähintäänkin millilleen. Menetelmän aikatarkkuus on kuitenkin selvästi huonompi kuin EEG:n, sillä veren happipitoisuuden muuttuminen vie tyypillisesti sekunteja.

3) Meilahden BioMag-laboratorion ylpeydenaihe eli aivomagneettikäyrä (magnetoenkefalografia, MEG) on millisekunnin tarkka kuten EEG:kin, minkä lisäksi aktivoituneen aivoalueen keskus saadaan paikannetuksi parhaimmillaan jopa millimetrien tarkkuudella. MEG tuottaakin parhaan aika- ja paikkatarkkuuden yhdistelmän.