6. Aivokuvantaminen

v1.5. Otto Lappi & Christina Krause 2006-2009

Neurotieteen tavoitteena on kuvailla ja selittää niitä periaatteita jotka tekevät aivoista poikkeuksellisen kaikkiin muihin sisäelimiin nähden: miten mieli (tai kognitio) ja älykäs käyttäytyminen perustuvat aivojen hermosolujen toimintaan, niiden organisaatioon ja niiden keskinäiseen vuorovaikutukseen ja kommunikaatioon.

Vastaavasti psykologian tavoitteena voidaan pitää mielen toiminnan kuvaamista ja selittämistä. Mielen toimintaa koskevan tiedon varassa psykologi voi myös tehdä ennusteita organismien käyttäytymisestä, ja joissain tapauksissa jopa suunnitella keinoja tähän käyttäytymiseen vaikuttamiseksi. Käyttäytyminen ei kuitenkaan psykologille ole "itse asia", vaan vain tutkimuksen kohteena olevan psyykkisen todellisuuden yksi ilmentymä, ts. sen kausaalinen vaikutus.

Ainakin jos hyväksytään monitoteutuvuus, myös neuraalinen toiminta on jossain mielessä vain kognition ilmentymää (representaatio)! Ontologisesti kuitenkin eri mielessä kuin käyttäytyminen, koska suhde mentaalisen tilan (token) ja sen toteutuman/implementaation välillä ei ole samanlainen kausaalinen suhde kuin mielentilan ja sen aikaansaaman motorisen toiminnan välillä - tämähän olisi substanssidualismia. Metodologiselta ja epistemologian kannalta katsoen tämä ontologinen ero ei kuitenkaan muuta sitä, että kognitiota koskevien hypoteesien kannalta neurotieteen kuva aivoista on vain evidenssiä, dataa.

Yleisesti hyväksyttynä, modernissa kognitiivisessa neurotieteessä, voidaan pitää materialistista ontologiaa (vrt. Materialismi & mind-body ongelma) jonka mukaan mentaaliset prosessit muodostuvat aivojen hermosolujen organisoidusta toiminnasta, ja lokalisaatiohiypoteesia (Vrt. Lokalisaatio). Lokalisaatiohypoteesin mukaan aivojen modulaarinen organisaatio - eli se että monimutkaiset toiminnot perustuvat lokalisaatioltaan tarkkarajaisten ja toiminnallisesti rajoittuneiden neuraalisten moduulien keskinäiseen koordinaatioon - heijastuu myös mielen arkkitehtuurissa, ja toisaalta eri mentaaliset toiminnot aktivoivat vain tiettyjä tarkkarajaisia aivojen osajärjestelmiä (Vrt. Modulaarisuus).

Kognitiivinen aivotutkimus on melko kaukana neurotieteen "kuumasta" mainstreamista eli solutason fysiologiasta ja molekyylibiologiasta, joten psykologinen ja kognitiotieteellinen tutkimusote, niin teorian kuin metodologian tasolla, on valitettavasti melko heikosti tunnettu biologisen neurotieteen edustajien keskuudessa. "Kovan" (fysiologisen) neurotieteen puolella kognitiivisen neurotieteen ja psykologian mahdollisuuksia (ja perinteisen neurotieteen rajoituksia) ei myöskään ehkä aina tunnusteta. Joskus ajatellaan jopa niin, että kaiken sen mitä mielessä/aivoissa tapahtuvasta "informaationprosessoinnista" ja käyttäytymisen biologisesta perustasta ylipäätään on luonnontieteellisesti mahdollista saada selville tulee (ennen pitkää) paljastamaan nimenomaan hermosolutasolta lähtevä (reduktionistinen) aivotutkimus; kaikki psykologinen ja kognitiivinen teoretisointi on spekulaatiota koskien olemukseltaan neuraalisia mekanismeja.

 

6.1. Kognitiivisen neurotieteen metodologiasta

Yksittäisten hermosolujen ja paikallisten hermosolupopulaatioiden kohdalla voidaan (lähinnä eläinkokeissa) mitata suoraan sähköistä ja kemiallista aktiviteettia, eli niitä signaaleja jotka koodaavat ja kantavat ja muokkaavat informaatiota. Tällaisissa kokeissa käytetään yleensä suhteellisen yksinkertaisia "behavioraalisia" suoritteita (esimerkiksi oppimisen tutkimuksessa ehdollistumista), joten kokeista ei välttämättä ole välitöntä hyötyä kognition tutkimuksessa (kuten havaintojen tai muistin organisaation tutkimuksessa). Organismin "kognitiivinen suoritus" voi olla hyvin minimaalinen ja joka tapauksessa jo niin hyvin tunnettu, että tässäkin neurobiologinen tutkimus oikeastaan lisää tietoa vain tietyn assosiaatiotyypin implementaatiosta tietynlaisessa hermokudoksessa.

Aivokuvantamistutmuksen tapauksessa suhde mitatun fysikaalisen suureen ja hermosolujen välisen kommunikaation välillä on epäsuorempi. Aivokuvantamisessa suhde mitatun ominaisuuden ja informaatiota kantavat prosessit joudutaan päättelemään mittalaitteen toimintaa käsittelevän taustateorian/apuoletusten varassa. Esimerkiksi PET kuvantamisessa nähdään paikallisia verenkierron muutoksia (s.o. verisuonten toimintaa) jonka ajatellaan heijastavan (apuhypoteesina on että verisuonten koko säätyy hermosolujen aineenvaihdunnallisen tarpeen mukaan silloin kun hermosolut ovat aktiivisia – eivät esim. silloin kun ne ovat lopettaneet toimintansa ja lepäävät). fMRI kuvantaminen perustuu yleensä BOLD (blood oxygenation level dependent) signaaliin, eli veren happipitoisuuden muutoksiin. Aktiivisten hermosolujen glukoosikulutus kasvaa, mutta hapenkulutus ei (toisin kuin lihassolut, kalloluiden sisällä kasvavat hermosolut eivät mahdu kasvamaan rajattoman isoiksi, joten niihin ei mahdu kovin paljon mitokondrioita). Tällöin aktiivisten alueiden happipitoisuus on suurempi, ja tämä saadaan näkyviin skannerissa koska hapettuneen ja hapettumattoman hemoglobiinin magneettiset ominaisuudet poikkeavat toisistaan. Tieteellisen menetelmän systemaattisuus edellyttää metodologialta sitä, että nämä apuhypoteesit voidaan itsessään asettaa empiirisen tutkimuksen kohteeksi (testattaviksi kilpaileviksi hypoteeseiksi). Ks. esim.

Riippumatta siitä onko hermostollisten signaalien mittaaminen suoraa vai epäsuoraa tässä mielessä, mitataan kuitenkin joka tapauksessa vain aivojen fysikaalisia ominaisuuksia - ei kognitiivisia (representaatio) ominaisuuksia. Kuvaus hermokudoksen plastisuuden mekanismeista ei ole sama asia kuin kuvaus pitkäkestoisen muistin organisaatiosta!

Psykologisten tulkintojen suhteen oleellista mittausten tarkkuuden ja luoteettavuuden ohella on se, että on mitattu ominaisuuksia jotka voivat kertoa meille jotain selittämisen kannalta olennaisista ominaisuuksista (tietynlainen psykologinen validiteetti).

Haastavaksi tilanteen tekee se, että ennen tutkimusta ja siihen perustuvaa kattavaa teoriaa fysikaalisten ja kognitiivisten ominaisuuksien suhteesta, on vaikea sanoa a priori mitkä mitattavat ominaisuudet ovat todella informatiivisia tässä mielessä. Tämä ei kuitenkaan ole vain kognitiivisen neurotieteen erityisongelma, vaan tilanne on kuitenkin sama kaikilla luonnontieteen osa-alueilla.

Millaisten käsitteiden avulla neuraalinen data tulisi jäsentää? Millainen psykologinen käsitteistö on paras ja toimivin kuvaamaan aivojen kognitiivisen tason organisaatiota? Mikä tulee olemaan niden suhde perinteiseen (arkipsykologiseen) tapaamme ymmärtää mielen toiminta uskomusten, tavoitteiden ja tunteiden kokonaisuutena? (Ks. Esim. P.S.Churchland, 1986; Dennett, 1987).

Tavoitteena on ymmärtää mielen/aivojen organisaatioperiaatteet, ts. ymmärtää teoreettisella tasolla, "integratiivisesta näkökulmasta", miten neuraalinen taso ja psyykkinen taso tosiasiassa heijastavat samaa ihmisen kognitiivista/neuraalista organisaatiota..

On syytä muistaa että psykologisen ja neurotieteellisen tiedon integroiminen on haaste puolin ja toisin.

Esimerkki psykologisen tiedon soveltamisesta neurotieteellisessä tutkimuksessa ("top down metodologia") voisi olla vaikkapa seuraava tutkimus (Brashers-Krug et al. (1996)):

Tutkimuksessa koehenkilöt opettelivat siirtämään kursoria kuvaruudulla joystickillä joka oli ohjelmoitu tuottamaan häiritseviä sivuttaisvoimia jotka olivat riippuvaisia koehenkilön tikkuun kohdistamista voimista ("force feedback"). Vähitellen koehenkilöt oppivat "kompensoimaan" tai ennakoimaan alussa yllättäviltä tuntuvia liikkeitä. Harjoitteluvaihetta jatkettiin kunnes liikeradat vastasivat koehenkilöiden omia liikeratoja ilman force feedbackia. Tämän jälkeen koehenkilöt jaettiin koeryhmään ja kontrolliryhmään. Kontrolliryhmän oppiminen testattiin 24h jälkeen (koehenkilöt osasivat yhä suorittaa liikkeet oikein – muistijälki oli siis konsolidoitunut). Koeryhmälle sen sijaan opetettiin "häirintätehtävä" jossa joystickin force feedback vasteet käännettiin päinvastaisiksi. Havaittiin, että kun koeryhmää testattiin alkuperäisessä kokeessa 24h alkuperäisen oppimisen jälkeen – s.o. samaan aikaan kuin verrokkiryhmää – suoritustaso oli verrokkeja alhaisempi (retrogradinen muistijäljen interferenssi --vrt. retrogradinen deklaratiivinen amnesia). Kiinnostavin havainto oli se, että retrogradisen interferenssin määrä riippui siitä, kuinka pitkä oli väliaika harjoitteluvaiheen ja häirintätehtävän opettelun välillä. Koehenkilöt jotka aloittivat häirintätehtävän opettelemisen vasta 4 tai alkuperäisen oppimistehtävän jälkeen häiriintyivät vähemmän kuin ne jotka aloittivat 2t tauon jälkeen, ja nämä puolestaan paremmin kuin kohenkilöt jotka aloittivat lähes välittömästi (5min). Tämä osoittaa, että motorisen muistijäljen (engrammin) konsolidaatio tapahtuu vähitellen ensimmäisten tuntien aikana harjoitelun jälkeen. Haaste neurotieteelle

Integraatio ei tarkoita vain tarkempia psykologisia testejä, ja teorioita jotka ennustavat behavioraalisia havaintoja (esim. reaktioaikoja) entistä tarkemmin – vaan teorioita jotka ennustavat aivojen rakennetta ja toimintaa entistä tarkemmin. on identifioida tämän ilmiön hermostolliset ja molekyylifysiologiset mekanismit.

Esimerkiksi neurotieteellisen tiedon soveltamisesta psykologisessa tutkimuksessa käy seuraava.

Huomioitavaa näissä esimerkeissä ovat seuraavat seikat. Ensinnäkin tutkimukset joissa neurotieteelliset tutkimukset kertovat meille jotain uutta psykologisen tason toiminnoista ovat todella harvinaisia – yleensä tavoitteena on vain lokalisoida toimintoja jotka ymmärretään jo hyvin ja "nähdään behavioraalisessa datassa". Toisekseen neurotieteellinen tieto, silloinkaan kun se menee "yli" sen mitä behavioraalinen data meille kertoo ei tuo mukanaan omaa tulkintaansa. Tarvitaan yhä tulkintamenetelmä neuraalisen datan yhdistämiseksi psykologisiin käsitteisiin – kuten perinteisessä psykologiassa behavioraalisen datan osalta. Kolmanneksi, huomaa miten paljon selvempää on päättely psykologisesta neuraaliseen. "Kypsän" psykologisen (s.o. käyttäytymistieteellisen) tutkimusmetodin ansiosta on mahdollista spesifioida täsmällisesti mitä neurotieteilijän on synapseista etsittävä (motorisen engrammin konsolidaatio). Sen sijaan siitä että aktivaatio tapahtuu ohimolohkon superiorisella pinnalla voidaan päätellä vain että sillä "todennäköisesti on jotain tekemistä auditorisen modaliteeetin kanssa".

Integraatio ei myöskään tarkoita vain kattavampia neuraalisen tason mittauksia. Teoria mielen hermostollisesta perustasta ei synny satunnaisten hermosolutason ominaisuuksien mittauksista, ei vaikka ne olisivat miten tarkkoja ja vaikka niitä olisi kuinka paljon (vrt. Moniste II, Käsitteenmuodostus empiirisessä tieteessä).

Kognitiivisen aivotutkimuksen ei tulisi ainoastaan lisätä aivoja koskevan tiedon määrää ja yksityiskohtaisuutta, vaan sen tulisi pyrkiä yhdistelemään neuraalisen (hermofysiologia) ja kognitiivisen (informaatio, merkitysilmiöt) kuvailun ja selittämisen "tasoja" toisiinsa.

6.2. Aivotutkimuksen ja psykologian suhteesta

Aivotutkimus yhdistetään biologiaan, joten sen ajatellaan helposti tuovan esimerkiksi psykologiaan luonnontieteille ominaista eksaktisuutta . Psykologi kuulee ehkä sanottavan, että "vihdoinkin" voidaan tieteellisesti ja objektiivisesti tutkia sellaisia asioita, joita koskeva ymmärrys on tähän asti ollut ("filosofisen") spekulaation tasolla - tai sikäli kuin empiirisesti tutkittavissa, vain "välillisesti" psykologisin tutkimuskeinoin, kun taas uusilla menetelmillä voidaan suoraan havaita käyttäytymisen kausaalisen määräytymisen kannalta keskeisiä sisäisiä (neuraalisia) prosesseja.

Itse asiassa (kun "sisäinen" ja "ulkoinen" ymmärretään tässä yhteydessä oikein) nimenomaan psykologiassa ollaan ensisijaisesti kiinnostuneita sisäisten mielen toimintojen kuvailemisesta ja selittämisestä kun taas neurotiede behavioraalisessa muodossaan tutkii vain "ulkoisia" ilmiöitä (joihin lukeutuvat käyttäytymisen lisäksi myös kaikki aivoissa tapahtuvat mitattavat fysikaaliset muutokset).

Kognitiivisessa neurotieteessä neuraalista dataa käytetään argumentaatiossa, jossa joko
1. Pyritään osoittamaan, että tietty aivojärjestelmä osallistuu jonkin kognitiivisen toiminnon hermostollisen perustan muodostaviin prosesseihin (lokalisaatio).
Tai
2. Kognitiivisen tason ilmiöitä koskevia väitteitä pyritään oikeuttamaan neuraalisen datan pohjalta.

Kognitiivisessa neurotieteessä, erotuksena biologisesta neurotieteestä varsinainen kiinnostus kohdistuu mentaalisiin ilmiöitä neuraalisen (ja behavioraalisen) datan "takana", ja neuraaliset prosessit muodostavat vain osan todistusaineistoa, empiiristä dataa (samoin kuin psykologille vaikkapa koehenkilöiden reaktioajat ovat vain havaintoja jotka tulee selittää, ei itse tutkimuskohde).

Tässä suhteessa moderni kognitiivinen aivotutkimus todella menee "yli" sen mitä pelkästään biologisessa aivojen/käyttäytymisen tutkimuksessa on kysymys. Se nimittäin ei pyri niinkään käyttäytymisen kuvaamiseen tai ennustamiseen, tai edes käyttäytymisen määräytymisen selittämiseen (neurobehavioraalinen taso), vaan aivotoiminnan ja käyttäytymisen mittaaminen on vain keino käyttäytymisen taustalla olevien mentaalisten ominaisuuksien selville saamiseksi.

Kognitiivisen aivotutkimuksen nykymetodologian (aivokuvantaminen) mahdollisuuksiin valottaa aivojen kognitiivisen toiminnan organisaatiota tulee suhtautua varovaisesti. Aivotutkimuksen kykyyn "avata musta laatikko" - paljastaa ihmismielen toiminnallisen organisaation ymmärtämisen kannalta olennaisia piirteitä, tai antaa meille perinteistä käyttäytymistutkimusta "suorempi" pääsy mielen toimintoihin - ei tule suhtautua liian yksioikoisesti. Erityisesti kognitiivisen aivotutkimuksen metodologian nojautuminen vähennyskuvamenetelmään (varsinkin ns. korkeampien kognitiivisten toimintojen tutkimuksessa) tekee kognitiivisesta aivotutkimuksesta hyvin vahvasti kognitiivisen psykologian ja muun perinteisen käyttäytymistutkimuksen menetelmiin nojaavaa.

Itse asiassa voidaan jopa – kärjistäen joskaan ei täysin vailla todellisuuspohjaa - väittää että jos ärsykkeiden suunnittelu perustuu psykologiseen tehtäväanalyysiin koetilanteen ja vertailutilanteen välisestä eroista, ja/tai datan tulkinta perustuu puhtaasti "korrelaatiivisiin menetelmiin" jossa aivotoiminnan eroja verrataan tilastollisesti behavioraalisesta datasta pääteltyyn eroon psykologisessa tilassa, ei tämänkaltainen aivotutkimus ylipäätään pysty kertomaan meille mitään uutta mielen toiminnoista psykologisen kokeen aikana. Korkeintaan se pystyy antamaan implementaatiotason tietoa siitä, mihin lokalisoituneita, miten tarkkarajaisia, ja miten eksklusiivisesti tämän toiminnon suorittamiseen erikoistuneita ovat ne aivojen osa-alueet jotka tämän toiminnon suorittamiseen osallistuvat.

Aivokuvantamisesta puhutaan silloin kun käytetään menetelmää jossa fysikaalisten/fysiologisten mittausten perusteella laaditaan tietokoneavusteisesti kuva aivojen rakenteesta ja/tai toiminnasta. Toiminnallisessa aivokuvantamisessa kuvataan fysikaalisten ominaisuuksien muutoksia, ja modernissa kognitiivisessa neurotieteessä (REFSgazzanigalogothetis,raichle) toiminnallisia aivokuvia laaditaan fysikaalisten ominaisuuksien muutoksista jonkin kontrolloidun, kognitiivisen psykologian koeasetelmiin perustuvan, koetehtävän aikana.

Aivotutkimuksen metodologia on melkoisen sofistikoitunutta, mikä kuitenkin tarkoittaa samalla että yhteys mitatun signaalin ja päätellyn psyykkisen tilan välillä on melko epäsuora, ja "tulosten tulkinta" vaatii paljon fysikaalisia, tilastollisia, ja psykologisia taustahypoteeseja. Varsinkin julkisuudessa esitetyt tulokset tai "empiiriset havainnot" ovat siten yleensä vahvasti teoriapitoisia.

Tulosten tulkinnassa käytetään tällöin kognitiivisen psykologian analyysejä erilaisten kognitiivisten tehtävien suorittamisessa tarvittavista perus operaatioista, ja kognitiivisen psykologian menetelmiä joissa mentaalisten ominaisuuksien (esim. työmuistin kapasiteettirajoitus) operationalisoiminen behavioraalisen datan (esim. reaktioaikojen) suhteen, jolloin on mahdollista päätellä käyttäytymisen havainnoinnin perusteella jotain mentaalisista tiloista. Kolmas keskeinen kognitiivisen neuroteiteen metodologinen perusta (aivokuvantamismenetelmien ja kognitiivisen psykologian ohella) on perinteisen neuropsykologian tuottama tieto eri toimintojen lokalisaatiosta ihmisaivoissa ja neuropsykologian metodologia jossa kaksoisdissosiaatioita käytetään lokalisaation evidenssinä (REFSdoubledissoc).

Yleisemmällä metodologian tasolla, koeasetelmien laatimisen ja erityisesti tulosten tulkinnan osalta, behavioraalisen (neurofysiologisen) tutkimuksen lähestymistapa eroaa olennaisesti"mentalistisen" mielen/aivojen tutkimuksen lähestymistavasta. Behavioraalisessa tutkimuksessa pyritään löytämään ulkoinen käyttäytymisen "määräytymiseen" vaikuttavia (fysikaalisesti havaittavia) eroja aivotilojen välillä. Mentalistisessa tutkimustraditiossa itse tutkimuskohteen ajatellaan sen sijaan olevan abstraktit tiedonkäsittelyominaisuudet havaittavien fysikaalisten ominaisuuksien – s.o. behavioraalisten ja neuraalisten fysikaalisten ominaisuuksien - "takana". Toisin sanoen psykologille ja kognitiiviselle aivotutkijalle sekä käyttäytyminen että hermoston toiminta on "dataa" josta mentaaliset ominaisuudet pitää päätellä. (Esimerkiksi kognitiota tutkittaessa organismin älykkään käyttäytymisen mahdollistavat (kognitiiviset) mekanismit ominaisuudet eivät ole suoraan mitattavissa). On tärkeää nähdä, että neurofysiologiasta poiketen kognitiivisen psykologian ja aivotutkimuksen menetelmiä ja teorioita yhdistelevä kognitiivinen neurotiede on syntynyt tämän mentalistisen "selittämisen mallin" pohjalle.

Mittausteknisestä näkökulmasta kaikkien non-invasiivisten kuvantamismenetelmien ajallinen ja paikallinen resoluutio on väistämättä paljon karkeampi kuin solutason tutkimuksissa. Aivojen kuvantamismenetelmät joilla ihmisaivoista onnistutaan saamaan non-invasiivisesti anatomisesti tarkkoja kuvauksia (MRI, magneettikuvantaminen), ja joilla voidaan tarkastella non-invasiivisesti myös ihmisaivojen toimintaa (EEG, MEG, fMRI, toiminnallinen magneettikuvantaminen) kehittyvät kuitenkin nopeaa tahtia – niin fysikaalisten mittaustekniikoiden kuin mittaustulosten käsittelynkin osalta (REFSKRAUSE).

Kuvantamisenetelmien etuna on, että mittauksia tehdä terveistä ihmisaivoista ja aivojen fysikaalisia muutoksia ajassa voidaan mitata kontolloidun psykologisen kokeen aikana, jonka jälkeen erilaisten tehtävien aikana saatuja (tai eri koehenkilöryhmiltä saatuja) tuloksia voidaan verrata toisiinsa, ja myös behavioraalisiin riippuviin muuttujiin. Näin voidaan hyödyntää sellaisia kokeellisen psykologian koeasetelmia - ja ennen kaikkea tulosten tulkintatapoja - jotka usein perustuvat tehtävänantoihin joita ei ole käytännöllistä tai edes mahdollista opettaa koe-eläimelle ehdollistamisen keinoin.

Kaikki kuvantamismenetelmät mittaavat fysikaalisia ominaisuuksia aivojen toiminnasta.

Yleensä tulokset tulkitaan vähennyskuvamenetelmää käyttäen.

Useimmiten kuvantamismenetelmällä saadut kuvat aivojen aktivaatiosta on tuotettu ns. vähennyskuvamenetelmää käyttäen, jolloin tietokone kuvaa piirtäessään vertaa toisiinsa koetehtävässä ja vertailutehtävässä saatua dataa tai koehenkilöistä ja verrokeista saatua dataa, ja värittää kuvan siten että siihen tulevat näkyviin erot tehtävien/populaatioiden välillä.

Kokeessa voidaan vaikkapa mitata aivojen sähköistä toimintaa työmuistitehtävän aikana. Oletetaan, että koehenkilömme painavat muistiin sanoja (encoding) ja pienen viiveen jälkeen heitä pyydetään toistamaan kuulemansa sanat (retrieval). Nämä kaksi erilaista kognitiivista suoritetta aiheuttavat aivojen sähköisessä toiminnassa erilaiset vasteet. Tutkija tulee kokeittensa perusteella väittämään, että muistiinpainaminen ja muistista haku heijastavat mitattavasti erilaista aivojen aktivaatiota neuraalisella tasolla.

Tutkija voi myös korreloida koehenkilöiden yksilöllisen suoritustason eroja aivovasteissa havaittavien erojen kanssa. Esimerkiksi työmuistitehtävän kuormitusta lisäämällä voidaan saada aikaan suurempia eroja koehenkilöiden välisessä suoritustasossa, jolloin yksilölliset erot suoritustason muutoksessa voidaan suhteuttaa yksilöllisiin eroihin aivovasteiden muutoksessa.

Tässä yhteydessä kannattaa kiinnittää huomiota kahteen seikkaan: ensinnäkin, se että koetilanteessa tapahtuu (muun muassa) sanojen mieleen painamista ja muistista hakua, on osa neuraalisen datan tulkinnassa olennaista tehtäväanalyysia (ei mittalaitteen tuottama mittaustulos). Toiseksi, se millainen tehtäväanalyysi on koetilanteen ja koehenkilöt huomioonottaen uskottava tai perusteltu, perustuu psykologiseen taustateoriaan, ja kokeen aikana kerättyy psykologiseen (s.o behavioraaliseen) dataan.

Tällaisella menetelmällä voidaan saada tuloksia, joiden mukaan tiettyjen aivojen osajärjestelmien toiminta selittää eroja kognitiivisella tasolla - mutta vain tilastollisen selittämisen mielessä! Ts. sanan "selittää" siinä merkityksessä että yhden muuttujan variaatiolla voidaan selittää variaatiota toisessa, edellisen kanssa korreloivassa muuttujassa - kyseessä ei siis vielä ole tasoerot selittävä psykologinen teoria työmuistin toiminnasta! Saati sitten aivojen organisaatiosta joka tuottaa fysikaalisia mittaustuloksia ja työmuistin ominaisuuksia (esim. kapasiteetin ja keston rajoitukset).

Valmiin kuvan tuottamiseksi siis verrataan toisiinsa eri rekisteröintejä. Nämä voivat olla eri koehenkilöiden reksiteröintejä, mikä tulee kysymykseen silloin kun ollaan kiinnostuttu yksilöllisistä eroista. Yleensä kuitenkin vertaillaan rekisteröintejä jotka on tuotettu koetehtävän ("experimental task") ja erityisen vertailutehtävän ("control task") suorittamisen aikana, tai lepotilassa ("baseline") tehtävien välillä. Näin toimitaan silloin kun ollaan kiinnostuttu "universaaleista" ilmiöistä jotka ilmenevät samanlaisina kaikilla koehenkilöillä.

Analysoidun "tehtävän" aikana on luonnollisesti aktiivisena useita aivojen alueita. Alueet jotka olivat aktiivisia myös vertailutehtävän aikana (t. "lepotilassa"), vähennetään ne pois lopullisesta kuvasta, niin että kuvassa näkyy vain aktivaatio jonka suhteen koetehtävä ja vertailutehtävä eroavat toisistaan. Tehtäväanalyysin ja mittaustulosten tulkitsemisen kannalta on siten oleellista paitsi se, millaisia kognitiivisia operaatioita koehenkilön oletetaan koetehtävän aikana suorittavan, myös se miten koetilanteen ja vertailutilanteen aikana tapahtuvan kognitiivisen prosessoinnin ajatellaan eroavan toisistaan.

Mikäli voidaan argumentoida, että koetehtävä ja vertailutehtävä eroavat psykologisesti toisistaan (vain) tietyn ominaisuuden suhteen, voidaan esittää että kuvassa näkyvä aktivoitunut aivoalue on ainakin jollakin tapaa oleellinen juuri tämän erottavan psykologisen tekijän hermostollisen toteutumisen kannalta.

Usein parhaimmissakin aivokuvantamistutkimuksissa päästään vain ja ainoastaan tällaisiin korrelaatiotason tuloksiin mielen ja aivojen toiminnan välisestä yhteydestä. Korrelatiivisella menetelmällä kuitenkin "löydetään" aivoista vain se mitä tiedettiin siellä jo olevan: perinteisen psykologian behavioraalisten menetelmien kautta jo tunnettu kognitiivinen prosessi, ja sen "neuraalinen korrelaatti".

Joskus jopa ajatellaan että käyttäytyminen on näin selitetty "palauttamalla" se aivotoimintaan, tai että se ymmärretään entistä paremmin nyt kun tunnetaan sen "aivoperusta". Kognitiivisesta tai ylipäätään psykologisesta näkökulmasta toiminnon lokalisaatio ei kuitenkaan ole selitys; se mitkä aivojen alueet ovat aktiivisia tietyn tyyppisen tehtävän, esim. muistisuorituksen, aikana on olennaisesti vain empiirinen havainto. Kiinnostavaa olisi tietää ja selittää teorian tasolla, miksi juuri nämä järjestelmät (kaikilla ihmisillä) aktivoituvat tämän tyyppisessä tehtävässä - mutta ennen kaikkea mitkä ovat aivojen hermosoluverkkojen ne ominaisuudet, jotka mahdollistavat kognition ja sitä heijastavan älykkään käyttäytymisen.

Liikaa tuskin voi korostaa sitä, että tehtäväanalyysi ja siten argumentaatio koetehtävien tai koehenkilöiden välisestä psykologisesta erosta (mitatun neuraalisen vasteen korrelaatti) edellyttää psykologista teoriaa tehtävän suorituksesta, sekä yleensä sitä että rekisteröinnin aikana kerätään myös behavioraalista dataa. Sen täsmälliseen määrittelemiseen mikä neuraalisen datan avulla selitettävä erottava tekijä ylipäätään on, vaaditaan huolellista "tehtäväanalyysiä" joka tapahtuu täysin perinteisen kokeellisen psykologian havainto- ja päättelymenetelmiä käyttäen, ja siis perustuu puhtaasti kokeen aikana kerättyyn behavioraaliseen dataan. Tällöin aivomittaus ei todellisuudessa kerrokaan meille mitään uutta psykologisen tason ominaisuuksista, vaan pelkästään sen neuraalisesta implementaatiosta (esim. lokalisaatio). Myös tämä seuraa suoraan tutkimusmetodin korrelaatioihin perustuvasta luonteesta, eikä riipu saadun datan tarkkuudesta tai yksityiskohtaisuudesta.

6.1.1. ONKO AIVOKUVANTAMINEN: IKKUNA MIELEEN - VAI VAIN AIVOIHIN?

Teoreettisesti kiinnostavien ominaisuuksien havaitseminen on aina jossain määrin teoriapitoista: ilman teoriaa emme yksinkertaisesti tiedä mitä/miten mitata. Teoriaa tarvitaan havaintomenetelmän "virittämiseen" mittaamaan haluttuja ominaisuuksia, sekä sen validiteetin puolesta argumentointiin. Tieteelliset havainnot perustuvat aina apuoletuksiin. Tieteellinen menetelmä edellyttää vain, että havaintojen tuottamisessa käytetty teoria (apuhypoteesit) on riippumattomasti testattavissa, ts. että datan tuottamisessa käytettyjä apuhypoteeseja ei enää pyritä perustelemaan (vain) ko. datan avulla.

Usein ajatellaan että erotuksena perinteisen psykologisen tiedonhankinnan menetelmiin joissa tieto mielen sisäisistä ominaisuuksista joudutaan "päättelemään epäsuorasti" ulkoisen käyttäytymisen pohjalta, moderni aivotutkimus ja kognitiivinen neurotiede pääsee käsiksi suoraan itse tutkimuskohteeseen eli ihmisen "sisäisiin prosesseihin" - ajatusprosesseihin ja niiden syntymekanismeihin.

Tämä on tietyssä mielessä totta. Aivot tosiaan ovat ihmisen sisällä. Aivojen "sisäisyys" on kuitenkin aivan eri asia kuin se mikä tekee mentaalisista tiloista "sisäisiä".

Psykologiatieteen kannalta olennainen erottava tekijä mentaalisten tilojen "sisäisyyden" ja "ulkoisen" käyttäytymisen (ja aivotilojen!) välillä ei ole se, että kognitiiviset tilat toteutuvat aivojen sisällä, vaan se että ne ovat "näkymättömiä", abstrakteja, ominaisuuksia joita ei voida suoraan havaita - eivät aivojen, sen enempää kuin käyttäytymisenkään, fysikaalisia ominaisuuksia.

Behavioristit ymmärsivät tämän ja Watsonin ja Skinnerin radikaaleinta behaviorismia maltillisemman behavioristisen psykologian/neurotieteen kannattajat sallivat teorioissaan viitaukset "sisäisiin" ärsykkeisiin ja reaktioihin, "välittäviin" tiloihin ulkoisen ärsykkeen ja behavioraalisen reaktion välillä . Nämä ovat proksimaalisen aistiärsytyksen aikaansaamia organismin sisäisiä hermokudoksen ärsytystiloja (sinällään siis julkisesti neurofysiologisin havaintomenetelmin mitattavia) reaktioita (nykyisen "kognitiivisen" neurotieteen terminologialla "vasteita"), jotka puolestaan toimivat sisäisinä ärsykkeinä ulkoisia reaktioita ohjaaville hermokudoksen tiloille jotka itsessään ovat vain samanlaisia sisäisiä reaktioita. Kognitiotieteen syntyyn johtaneen "kognitiivisen vallankumouksen" ydinidea olikin, että representaatio on eri asia kuin reaktio - mentaalinen tila ei ole vain diskriminatiivinen responssi johonkin fysikaalisen ympäristön rakenteeseen.

Mitä oikeastaan tarkoittaisi että aivokuvantamismenetelmin voitaisiin "havainnoida suoraan niitä sisäisiä prosesseja, jotka perinteinen käyttäytymistiede joutuu epäsuorasti päättelemään"? Perinteinen psykologia ei pyri epäsuorasti päättelemään niitä aivojen fysikaalisia tai neurobiologisia ominaisuuksia joita erilaisilla aivokuvantamislaitteilla mitataan – eivätkä aivokuvantamislaitteet vasvaavasti tuota suoraan kuvia niistä ominaisuuksista joita behavioraalisen datan pohjalta päätellään. Kuvat pitää aina tulkita (joko korrelatiivisesesti tai jonkin kehittyneemmän, teoriapitoisen, menetelmän avulla).

Usein todetaan (hieman latteasti), että jos avaamme kallon, emme näe ajatuksia, tunteita, tietoisuutta jne. – näemme vain ja ainoastaan pelkät aivot. Tämä on siltä osin virheellinen väite, että (psykofyysisen materialismin nojalla) se mitä näemme katsellessamme aivoja, on tosiaankin se järjestelmä joka toteuttaa ajattelun, tunteiden kokemisen ym. mentaalisten ominaisuuksien instansseja. Mieli, ajatukset, tunteet eivät ole jotain aivojen ulkopuolella sijaitsevaa vaan mentaaliset/kognitiiviset tilat ovat aivojen eri tiloja. Väite pitää kuitenkin siinä mielessä paikkansa, että tehtäessä tieteellisiä havaintoja aivoista ei mittata tai havainnoida aivojen mentaalisista tai kognitiivisista ominaisuuksista (näitä ei saada suoraan "kuvattua datassa" yhtään sen enempää kuin käyttäytymistä havainnoivassa behavioraalisessa psykologiassakaan). Lisäksi tämä pitää paikkansa paitsi paljaalla silmällä tapahtuvan tarkastelun suhteen, myös aivan yhtä paljon aivokuvantamismenetelmien suhteen (jotka nykymuodossaan ovat vain tilastollisesti ja fysikaalisesti monimutkaisia havaintomenetelmiä).

Analogia voisi olla seuraavanlainen: kun avaamme auton konepellin, emme "näe" termodynamiikan toista pääsääntöä ja muita olennaisia fysikaalisia luonnonlakeja, joita tarvitaan eksakteissa teoreettisissa malleissa joka kuvailevat ja selittävät lämpömoottorien (mm. polttomoottori) toimintaperiaatteita, emmekä näe suoraan niitä perustavanlaatuisia ominaisuuksia (invariansseja ja luonnonvakioita) joita ko. malleissa ja teorioissa kuvataan. Ne ovat abstrakteja, teoreettisia ominaisuuksia suoraan havaittavien ominaisuuksien takana. Kyky observoida selittävän teorian kannalta olennaisia ominaisuuksia edellyttää jo olemassaolevaa täsmällisesti muotoiltua teoriaa sekä joskus monimutkaistenkin epäsuorien mittausoperaatioiden kautta tapahtuvaa (teoreettisesti merkittävien ominaisuuksien) operationalisointia. Vain taustateoria voi kertoa meille mitkä ovat todella ominaisuuksia jotka antavat meille tietoa teoreettisesti merkittävistä, perustavanlaatuisista ja abstrakteista ominaisuuksista joiden avulla voidaan kuvata ja selittää hyvinkin laaja kirjo "pintatasolla" erilaisia ilmiöitä. Todella olennaisten ominaisuuksien ja "ilmitason" ominaisuuksien (joita esim. auton tapauksessa olisivat moottorin ääni, polttoaineen haju, moottorista säteilevä hukkalämpö...) välinen suhde voi olla hyvinkin epäsuora, ja ongelmia tuottaa se että "eksploratiivisessa" tutkimusvaiheessa kattavaa taustateoriaa ei vielä ole olemassa!

Tästä seutaa, että nykyisessä (korrelatiivisessa) muodossaan kognitiivinen neurotiede ja kuvantamiseen perustuva aivotutkimus on menetelmiltään yhä käyttäytymistiede. Sikäli kuin korrelatiiviseen metodiin nojaava aivotutkimus ylipäätään pystyy kertomaan meille jotain olennaista mielen sisäisistä toiminnoista psykologisen kokeen aikana, se onnistuu siinä yksinomaan kognitiivisen psykologian puhtaasti behavioraalisia menetelmiä hyödyntäen.

Kognitiivinen toiminta päätellään yhä perinteisin (behavioraalisin) menetelmin, jonka jälkeen samanaikainen muutos aivojen toiminnassa (fysikaalisessa signaalissa) liitetään tähän puhtaasti ajallisiin ja paikallisiin korrelaatioihin perustuen - tilastotieteellisten, ei aivojen ja mielen yhteyttä koskevien kognitiotieteellisten teorioiden avulla. Mentaaliset ominaisuudet joudutaan yhä päättelemään, ja parhaat ja tarkimmat päättelymenetelmät, ja paras ja luotettavin tieteellinen taustateoria löydettyjen aivojen ominaisuuksien kognitiivisen relevanssin arvioimiseksi on yhä kognitiivisen psykologian behavioraaliseen dataan perustuvat menetelmät.

Behavioraalisen psykologian rajoituksena on kuitenkin se, että ne eivät suorana kuvaa tai selitä mielen toteutumista aivoissa sen enempää kuin tieto mentaalisen toiminnon lokalisaatiosta kertoo sen sisällöstä. (Korrelatiivisen menetelmän rajoittuneisuus pätee molempiin suuntiin!)

Se että kognitiivinen aivotutkimus avaa uuden tyyppisen ikkunan ihmisen mieleen ja aivoihin on siis totta - mutta vain osittain. Aivokuvantamismenetelmät avaavat kylläkin uuden ikkunan aivoihin, mutta monimutkainen älykäs käyttäytyminen voidaan kuvata ja selittää vain vetoamalla mielen ominaisuuksiin – s.o. psykologisiin ominaisuuksiin (mielen sisällöt), ei vain fysikaalisiin ominaisuuksiin (toiminnon anatominen lokalisaatio). Ja nämä ominaisuudet eivät suoraan näy aivokuvissa.

Mitä korrelatiivinen menetelmä sitten voi antaa?

Oletetaan esimerkiksi, että koetehtävä A ja koetehtävä B aktivoivat molemmat aivojen osan x (aktivoituminen määritelty tässä suhteessa vertailutilanteeseen t. "lepotilaan").
Tästä päätellään että A ja B käyttävät samaa "neuraalista resurssia".

Avoimeksi jää kuitenkin jatkokysymys: käyttävätäkö ne samaa mentaalista resurssia? Toisin sanoen: onko x:n kontribuutio A:han ja B:hen olennaisesti sama, operaatio o? Jos näin on voidaan o lokalisoida x:ään. Lisäksi on ehkä saatu selville se mahdollisesti yllättäväkin seikka, että A ja B jotka intuitiivisesti (arkipsykologisesti) tarkasteltuna eivät näytä olevan yhteydessä toisiinsa, sisältävätkin saman o:n. On päästy arkipsykologiaa "syvemmälle", ilmikuvan "taakse".

Mutta ongelma on tietenkin: miten tutkia onko x:n aktivaatio aina sama o jos emme jo ymmärrä A:n ja B:n kognitiivista organisaatiota (teoriassa jonka empiirinen argumentaatio vetoaa vain behavioraaliseen dataan)? Miten aivotutkimus voisi tuottaa oleellisesti uutta tietoa A:n ja B:n kognitiivisen tason organisaatiosta (ei vain "vihjata" A:n ja B.n välisestä suhteesta jonka tarkempi selvittäminen jäisi siis perinteisen psykologian tehtäväksi)?

Lisäksi esimerkiksi interaktio häirintätehtävässä ei vielä sinällään kerro muusta kuin kilpailusta jaetusta resurssista x. Miten voidaan tietää tarvitsevatko A ja B molemmat toteutuakseen sen, että jokin aivojen "neuraalinen moduuli" värvätään suorittamaan operaatio o, vai onko interaktion selitys se, että A edellyttää o:ta ja B u:ta, ja x voi toteuttaa o:n ja u:n mutta ei molempia yhtäaikaa (ne ovat neuraalisella tasolla toisensa poissulkevia). Hyvän teorian tulisi kyetä ennustamaan mikä hypoteeseista on oikea, selittämään (tekemään ymmärrettäväksi) miksi se on tosi, ja tarjottava menetelmät hypoteesien empiiriselle koettelemiselle. Sen lisäksi sen tulisi luonnollisesti soveltua myös monien muiden ilmiöiden selittämiseen ja ennustamiseen, ja olla kohtuullisen yhteensopiva muun mieltä/aivoja koskevan tieteellisen tiedon kanssa.

Tarkentuva neuraalinen data voi sinällään olla relevanttia, mutta tässäkään edes suuri määrä laadultaan erittäin hyvää dataa ei ohjaa meitä "ilmaiseksi" kohti oikeaa teoriaa. Suurikin määrä dataa on parhaimmillaankin vain joukko havaintoja, tai korkeintaan empiirinen yleistys - ei teoria. Ja paras data on aina dataa joka on kerätty jonkin itsessään mielenkiintoisen teorian todistamiseksi tai kumoamiseksi.

Lähteet

Churchland, P.S. (1986). Neurophilosophy. Cambridge MA: MIT Press.
Dennett, D.C. (1987). "Three kinds of intentional psychology"; teoksessa: The Intentional Stance. Cambridge MA: MIT Press.

Lisälukemista:

• Gazzaniga, M.S. (toim.) (2004). Cognitive Neurosciences III. MIT Press.
• Henson, R. (2006). Forward inference using functional neuroimaging: dissociations versus associations. Trends in Cognitive Sciences, 10(2), 64-69.
• Poldrack, R. A. (2006). Can cognitive processes be inferred from neuroimaging data? Trends in Cognitive Sciences, 10(2), 59-63.
• Posner, M. & Raichle, M. (1994). Images of Mind. New York: Scientific American Library.