Pilkkopimeässä tehty tutkimus valaisee aivojen toimintaa ennennäkemättömällä tarkkuudella

Neurotieteilijät selvittivät ensi kertaa yksittäisten hermoimpulssien tarkkuudella, miten aivot ohjaavat nisäkkään käyttäytymistä.

Tutkijat ovat osoittaneet yhteyden silmästä lähtevien hermoimpulssisarjojen ja nisäkkään käyttäytymisen välillä ainutlaatuisella tarkkuudella. Tutkimuksessa selvitettiin, miten hiiren aivot tulkitsevat silmien välittämiä hermoimpulsseja heikossa valossa.

Nyt saatu tulos valaisee aivotutkimuksen kahta merkittävää arvoitusta. Ensimmäinen on selvittää hermoimpulssien sisältämä viesti, joka saapuu aivoihin aistihavaintojen seurauksena. Toinen tavoite on ymmärtää, miten aivot tekevät päätöksiä näiden hermoimpulssien perusteella ­– eli kuinka käyttäydymme esimerkiksi sen mukaan, mitä näemme.

Tulos saavutettiin pilkkopimeässä labyrintissä

Kun näemme, kuulemme, haistamme tai kosketamme, aisti-informaatio välittyy aivoihin hermoimpulsseina hermoratoja pitkin. Tutkijat eivät vielä tiedä, miten aivot tarkalleen ottaen tulkitsevat näitä signaaleja. Arvoitus on ollut hankala ratkaista, sillä hermosto kuljettaa samaa viestiä monissa eri muodoissa. Lisäksi on ollut lähes mahdotonta määrittää, millainen on eläimen käyttäytymistä ohjaavien yksittäisten hermoimpulssisarjojen rakenne.

Nyt neurotieteilijät havaitsivat ensi kertaa yksittäisten hermoimpulssisarjojen tarkkuudella, miten aivot ohjaavat nisäkkään käyttäytymistä. Tutkimus tehtiin Aalto-yliopistossa ja Helsingin yliopistossa professori Petri Ala-Laurilan johdolla, ja sitä on rahoittanut Suomen Akatemia.

Tutkimuksessa joukko hiiriä opetettiin uimaan valoa kohti pilkkopimeässä labyrintissa. Tutkimusryhmä mittasi, kuinka tehokkaasti hiiret löysivät valon. Hiiren etsimää valoa himmennettiin kerta kerralta siten, että viimeisillä kerroilla vain pieni määrä valohiukkasia eli fotoneja pääsi kulkeutumaan hiiren silmiin asti.

Koe oli tehtävä pimeässä, koska silloin verkkokalvolta aivoihin lähtevien, hermoimpulsseja välittävien informaatiokanavien määrä rajoittuu vain kahteen herkimpään kanavaan. Niitä kutsutaan ON- ja OFF-kanaviksi. Tutkijat selvittivät, kumpi näistä ohjasi hiiren käyttäytymistä.

Tarkkojen tieteellisten kokeiden tekeminen pilkkopimeässä on erittäin vaikeaa. Ryhmän tekemä läpimurto perustui eri tutkimusmenetelmien ainutlaatuiseen yhdistämiseen. Tutkijat kehittivät tavan mitata yksittäisistä fotoneista peräisin olevia, silmien verkkokalvon kautta tulevia sähköisiä signaaleja. Lisäksi heidän oli löydettävä yhteys näiden signaalien ja hiiren käyttäytymisen välillä. Hiirten liikkeitä labyrintissa seurattiin pimeänäkökameroilla, joiden tallentamaa liiketietoa analysoitiin syväoppimiseen perustuvan ohjelmiston avulla.

Ryhmä vertasi keskenään tavallisia laboratoriohiiriä ja geneettisesti muunneltuja hiiriä. Geneettisesti muunneltujen hiirten verkkokalvon herkin ON-kanava tarvitsi hermoimpulssien lähettämiseen kymmenkertaisesti enemmän valoa kuin herkin OFF-kanava. Muunnellut hiiret paljastuivat kymmenkertaisesti huonommiksi havaitsemaan valon kuin tavalliset lajitoverinsa. Tämän eron perusteella tutkijat pystyivät todistamaan, että yksittäiset ON-kanavan läpi kulkevat hermoimpulssien sarjat ohjasivat hiiren käyttäytymistä eli selittivät sitä, milloin hiiri havaitsi valon.

Tutkimustuloksella suuri merkitys koko neurotieteelle

Läpimurron avulla aivoja päästään tutkimaan entistä tarkemmin.

”Valohiukkasten aistimisen ja käyttäytymisen välisen yhteyden selvittäminen on kuin kielen kääntämistä. Aiemmin tiesimme, mitä kokonaiset lauseet tarkoittivat, mutta emme tunteneet yksittäisten sanojen merkitystä. Nyt pystymme yhdistämään yksittäisiä hermoimpulsseja sisältävät tarkat koodit käyttäytymiseen ja pääsemme tutustumaan kielen merkitykseen yksityiskohtaisemmin”, professori Petri Ala-Laurila sanoo.

Tulokset ovat olennaisia näkötutkimuksen parissa työskenteleville, mutta myös laajemmin kaikille aivotutkijoille.

Tutkimustulos myös kumoaa yhden keskeisen neurologiassa vallinneen uskomuksen. Tutkijat ovat 70 vuoden ajan käyttäneet informaatioteoriaa sen mallintamiseen, miten aivot käsittelevät eri signaaleja. Yksi olettamuksista on ollut, että jos aivojen on valittava kahdesta kilpailevasta signaalista, ne valitsevat enemmän tietoa sisältävän signaalin. Tutkimuksessa kuitenkin paljastui, että verkkokalvon ON-kanava ohjasi geneettisesti muunneltujen hiirten käyttäytymistä OFF-kanavan sijaan, vaikka OFF-kanava sisälsi enemmän informaatiota. Tutkimustulos viittaa siihen, että aivojen päätöksenteon kannalta merkittävää olisikin informaation välittämisen muoto, kuten hemoimpulssisarjojen rakenne, eikä informaation määrä.

“Erityisen kiinnostavaa tutkimustuloksissamme on se, että aivot näyttäisivät ohjaavan käyttäytymistä painottaen informaatiota, joka sisältyy hermoimpulssien määrän lisääntymiseen eikä vähenemiseen. Tätä ei ole aiemmin havaittu”, tutkimusryhmän jäsen ja artikkelin ensimmäinen kirjoittaja, tohtoriopiskelija Lina Smeds toteaa.

Seuraavaksi tutkimusryhmä aikoo mitata, pätevätkö samat periaatteet muihinkin hämäränäköön liittyviin hermoratoihin ja käyttäytymismalleihin, ja noudattavatko ne samoja sääntöjä.

Tulokset julkaistaan 10.9. Neuron-julkaisussa.
Linkki tutkimusartikkeliin

Pääkuvassa: Tutkimuksessa hiiriä opetettiin uimaan kohti valoa labyrintissä. Hiirten liikkeitä seurattiin infrapunakameralla, jonka tuottamaa liiketietoa analysoitiin syväoppimiseen perustuvalla ohjelmistolla. Tämä tieto yhdistettiin hiirten silmien verkkokalvojen hermoimpulssisarjojen analyysiin.