– Voisi sanoa, että aivot ovat elin, joka jatkuvasti ennustaa tulevaisuutta. Jos ennuste osuu oikeaan, kaikki sujuu normaalisti, mutta jos se onkin väärä, käynnistyy aivoissamme tapahtumasarja, joka on välttämätön uuden oppimisen ja muistiin painamisen kannalta, sanoo aivotutkija, professori Laurel Trainor torontolaisesta McMasterin yliopistosta.
Aivojen tekemän ennusteen poikkeama voidaan havaita aivosähkökäyrällä niin kutsuttuna poikkeavuusnegatiivisuutena (Mismatch negativity, MMN). Se näkyy kohoumana aivosähkökäyrällä ennen kuin olemme muutoksesta edes tietoisia. Tätä poikkeamaa tarkastelemalla voidaan tutkia sitä, miten aivot mallintavat ympäristön ärsykkeitä.
Trainor osallistui 200 muun aivotutkijan tavoin kesäkuun puolivälissä Helsingin yliopistossa järjestettyyn konferenssiin, joka oli omistettu aivojen poikkeavuusnegatiivisuuden tutkimukselle. Hän tutkii vauvojen aivoja ja aloitti poikkeavuusnegatiivisuuden käytön aivojen kehityksen tutkimuksessa ensimmäisten joukossa maailmassa 1990-luvun alkupuolella.
– Ymmärsin heti, että jos tämä mekanismi näkyy jo vauvojen aivoissa, se tulisi muuttamaan käsitystämme siitä, miten vauvat oppivat ja miten heidän aivonsa erottelevat aistikokemuksia.
Nyt tiedetään, että poikkeavuusnegatiivisuus näkyy aivoissa jo sikiökaudella. Lisäksi se on havaittavissa eläinten, nukkuvien ja jopa koomapotilaiden aivoissa.
Juuret Helsingin yliopistossa
Poikkeavuusnegatiivisuuden löysi Helsingin yliopiston professori Risto Näätänen 1970-luvulla. Ensimmäisen tutkimusartikkelinsa aiheesta hän julkaisi tasan 40 vuotta sitten, ja kymmenen vuotta myöhemmin Helsingin yliopistoon saatiin Suomen Akatemian rahoituksella ensimmäinen poikkeavuusnegatiivisuustutkimukset aivosähkökäyrämenetelmällä mahdollistava tutkimuslaboratorio.
Sittemmin poikkeavuusnegatiivisuutta on tutkittu lähes kaikilla aivotutkimuksen menetelmillä, mutta aivosähkökäyrä, EEG, on yhä yleisin. Sitä mitataan eri puolille päätä asetettavilla elektrodeilla. Voimakkaimmin poikkeavuusnegatiivisuus näkyy kuuloaivokuorella, ja useimmat koeasetelmat liittyvätkin kuuloaistiin.
Näätäsen laboratoriossa aloittivat tutkijanuransa 1990-luvun alkupuolella myös Helsingin yliopiston Kognitiivisen aivotutkimuksen yksikön nykyinen professori Teija Kujala ja tutkimusjohtaja Mari Tervaniemi.
Kujala on tutkimuksissaan käyttänyt poikkeavuusnegatiivisuutta esimerkiksi lukivaikeuden tutkimuksissa. Tällä hetkellä on menossa seurantatutkimus, joka liittyy 150 lukivaikeusriskissä olevan lapsen ja heidän verrokkiensa oppimiseen. Lapsia on seurattu syntymästä saakka.
– Poikkeavuusnegatiivisuuden avulla olemme havainneet riskiryhmässä olevilla muun muassa kypsymättömiä aivovasteita, jotka viittaavat kuuloaivokuoren kehitysviiveeseen. Lisäksi aivojen tapa käsitellä ääntä on näillä lapsilla erilainen kuin verrokeilla, Kujala kertoo.
Osaa lapsista pyritään kuntouttamaan musiikin avulla, ja poikkeavuusnegatiivisuuden avulla seurataan, voidaanko äänteiden kehitystä varhaisvaiheessa tukemalla edistää myöhempää lukutaitoa.
Tervaniemi on puolestaan käyttänyt poikkeavuusnegatiivisuutta musikaalisuuden ja muusikkouden tutkimuksissaan. Hän on tehnyt lukuisia havaintoja siitä, miten ammattimuusikoiden aivot käsittelevät äänen eri ominaisuuksia. Liikkeelle hän kuitenkin lähti siitä, voidaanko poikkeavuusnegatiivisuutta ylipäätään tarkastella, kun kyse on luonnollisista äänistä.
Pian selvisi, että vaste on jopa suurempi luonnollisille äänille kuin laboratorioäänille.
– Mitä luonnollisempi ääni, sitä isompi vaste, vaikka siinä on aivoille enemmän ”pureskeltavaa”, Tervaniemi toteaa.
Tällä hetkellä hän ohjaa väitöskirjaa, jossa mm. poikkeavuusnegatiivisuudella tarkastellaan musiikkileikkikoulutoiminnan vaikutuksia esikoululaisten kielelliseen kehitykseen.
Tervaniemi painottaa, että poikkeavuusnegatiivisuuden ilmentämät asiat aivoissa kulkevat aina käsi kädessä koehenkilöiden toimintakyvyn kanssa. Diagnostiseksi menetelmäksi siitä ei kuitenkaan vielä ole.
Tuloksia tulkitaan aina ryhmätasolla
Poikkeavuusnegatiivisuutta on tutkittu 40 vuoden aikana sadoissa tutkimusryhmissä. Julkaistuja tutkimusartikkeleita on kertynyt jo lähes 5000. Tällä hetkellä tutkimusta tehdään noin 70 maassa ympäri maailman. Valtava tiedon määrä on saanut monet pohtimaan, voisiko menetelmää hyödyntää paitsi ryhmien myös yksilöiden tutkimuksessa.
– Välillä on ehdotettu, että siitä tulee musikaalisuuden tai lukutaidon mittari, mutta tähän mennessä saadut tulokset ovat olleet ryhmätuloksia, Tervaniemi sanoo. Eli johtopäätöksiä yksilön taidoista tai ominaisuuksista ei voi poikkeavuusnegatiivisuuden perusteella tehdä.
– On kehittämisen paikka, että tämä toimisi yksilötasolla, Kujala sanoo.
Molemmat tutkijat painottavat, että poikkeavuusnegatiivisuus on hyvä esimerkki siitä, miten paljon pitkäjänteistä perustutkimusta vaaditaan sovellusten kehittämiseksi.
– Ilman Risto Näätäsen aloittamaa perustutkimusta emme tietäisi lukivaikeudesta, vauvojen aivojen kehittymisestä tai vaikkapa koomapotilaisen toipumisesta niin paljon kuin nyt tiedämme. Tarvittiin 40 vuotta, että voimme sanoa edes sanasen näistä sovelluskohteista, Tervaniemi pohtii.
Aivoissa riittää vielä mysteerejä ratkaistavaksi
Poikkeavuusnegatiivisuus on yksi aivojen monista herätevasteista, eli aistiärsykkeestä tai sen muutoksesta syntyvistä sähköisistä reaktioista. Sen etuna muihin vasteisiin nähden on, että runsaan tutkimuksen takia sen luonne ymmärretään jo varsin hyvin.
Seuraavaksi tutkijat ovatkin kiinnostuneita selvittämään, miten poikkeavuusnegatiivisuus on yhteydessä muihin aivotoimintoihin.
– Olemme kiinnostuneet näkemään, mikä sen merkitys on aivoissa kokonaisuutena, eli näkyykö se vain aistihavaintoihin liittyvillä aivoalueilla vai voidaanko poikkeavuusnegatiivisuutta nähdä joka puolella aivoja, sanoo kanadalaistutkija Laurel Trainor.
Viimeaikaisissa tutkimuksissa on jo tarkasteltu aivojen otsalohkon alueiden ja aistialueiden erilaisia prosesseja. Tieto siitä, miten ne ovat yhteydessä toisiinsa ja vaikuttavat toimintaamme, lisääntyy vielä huimasti.