Joka yö miljardien aivojen, nisäkkäiden ja lintujen kallojen sisällä neuronien läpi kulkevat hitaat toiminta-aallot rytmissä, joka on toistunut vuosituhansien ajan. Se on aivojen yhteinen rytmi niiden syvimmässä unessa.
Näiden ”hitaiden aaltojen” kaikkialle levinneisyys ja yhdenmukaisuus kertoo niiden syvällisestä merkityksestä, sanoo HBP:n tutkija Maurizio Mattia Istituto Superiore di Sanitàsta (Italian NIH) Roomassa.
Hän kuvailee hetkeä, jolloin hän tajusi, että tämä oli biologian yhteinen rytmi. ”Fyysikkona ajattelin tämän nähdessäni, että tämä ei ole biologiaa, tämä on fysiikkaa. Ajattelin, että tämä on aivan kummallista. Tämä on jalanjälki jostakin, joka toimii hyvin, hyvin hyvin. Jotain, jota tarvitaan kaikissa lajeissa ja koko evoluutiossa.”
Hitaita aaltoja esiintyy, kun aivot ovat syvässä unessa, ja niitä on havaittu nisäkkäillä ja linnuilla sekä mahdollisesti matelijoilla. Mattia kuvaa aaltoja aktiivisuuden kaskadeiksi, jotka liikkuvat aivojen halki johdonmukaisella rytmillä (noin 1 Hz, eri lajeissa).
Nämä rytmikkäät värähtelyt tapahtuvat yksittäisen neuronin tasolla, mutta kun niitä tarkastellaan aivojen halki iEEG:llä (kallonsisäisellä EEG:llä), ne näkyvät aaltoina, jotka liikkuvat aivojen halki n. 30 mm:n sekuntivauhtia.
”Ne eivät ole sellaisia kuin vedessä näkyvät aallot. Teillä on kiihtyvä väliaine, joten se on kuin tulipalo metsässä. Kun ensin sytytätte tulen, se leviää aallon tavoin, kunnes olette polttaneet kaiken puun, ja sitten se lakkaa. Tämä on kuin aivojen toimimattomuusjakso, mutta metsä kasvaa taas, ja sitten teillä on uusi aalto. Näin tapahtuu aivoissa. Se käyttää kaikki käytettävissä olevat resurssit hermosolujen toimintapotentiaalien sytyttämiseen, sitten tarvitaan palautumisaikaa. Tulipalo ja hiljaisuus, tulipalo ja hiljaisuus.”
Näiden hitaiden aaltojen täydellistä toimintaa ja tarkoitusta ei täysin ymmärretä, mutta niillä on selvästi tärkeä rooli. On yhä enemmän todisteita siitä, että tätä rytmiä tarvitaan aivojen tasapainon toistamiseen. Hereilläolon aikana aivot tuottavat jätteitä, ja nämä aallot näyttävät puhdistavan aivoja, Mattia sanoo.
”Voit selvitä hengissä olematta hereillä, mutta kuolet varmasti, jos et nuku. Tarvitset näitä hitaita aaltoja, jotta aivot pysyvät terveessä kunnossa.”
Hitaat aallot liittyvät myös muistiin ja oppimisen vakiinnuttamiseen.
”Aaltorintama ei ole satunnainen aaltorintama. Sitä määrittää rakenne, jonka se löytää aivoista. Kuvittele monta ihmistä kävelemässä vierekkäin pitkin rantaa. Kun jotkut löytävät pehmeää hiekkaa, he kävelevät hitaammin, toiset kävelevät kovemmalla hiekalla nopeammin. Tämä maaston ero näkyy kävelevien ihmisten linjan muodossa.”
”Palatakseni siis muistiin, nämä hitaat aallot seuraavat verkostoratoja ja vahvistavat näitä ratoja. Enemmän tai vähemmän.”
Tässä mielessä kyse on melkeinpä oppimisen kaltaisesta toistosta, joka näyttää vahvistavan päivän aikana käytettyjä polkuja toistamalla niitä monta kertaa.
Mattia kuvaa hitaita aaltoja eräänlaiseksi neurotieteen Rosettan kiveksi, jossa eri kielet ovat eri eläimiä ja sisältö on hidas aalto. Minkä vuoksi ne ovat hyödyllisiä, ei vain aivojen ymmärtämisessä, vaan ehkä myös aivosimulaatioiden luomisessa. Pystymmekö jäljittelemään tätä kaikkien aivojen yhteistä piirrettä simulaatiossa?
”Yritämme ymmärtää, millä tavalla tietty neuroniverkko, in-silico tai in-vivo, pystyy luomaan samoja rytmejä, ja kun otamme tämän eri yhteyksissä, voimme rakentaa koneen, joka voi käyttäytyä kuin oikeat aivot”, Mattia sanoo.
”Kun on luotu in-silico aivot, joilla on nämä rytmit, niin tämä on hyvä lähtökohta nähdä, miten ne käyttäytyvät, kun ne herätetään.”
Maurizio Mattia työskentelee Human Brain Project -hankkeen Systems and Cognitive Neuroscience (Subproject 3) -osiossa.