Aivot ovat tunnetun maailmankaikkeuden monimutkaisin esine. Noin 100 miljardia neuronia vapauttaa satoja välittäjäaineita ja peptidejä dynamiikassa, joka ulottuu mikrosekunnista eliniän mittaisiin aikaskaaloihin. Kun otetaan huomioon tämä monimutkaisuus, neurobiologit voivat viettää tuottoisan uran tutkimalla yhtä ainoaa reseptoria. Voisivatko psykologit ymmärtää mieltä tuottavammin jättämällä aivot kokonaan huomiotta?
Marr (1977) ehdotti, että mentaalisia prosesseja voidaan tutkia kolmella analyysitasolla: laskennallisella (prosessin tavoitteet), algoritmisella (menetelmä) ja toteutuksella (laitteisto). Erottelu merkitsee sitä, että samat laskennalliset tavoitteet ja algoritmit voidaan toteuttaa ihmisaivoilla tai tietokoneella, ja fyysisellä välineellä – neuronilla tai piillä – ei ole merkitystä. Tämä käsite on ollut kognitiotieteen perustavanlaatuinen, ja se on antanut sen harjoittajille luvan sivuuttaa aivot mukavasti. Se on kuitenkin asetettu vakavasti kyseenalaiseksi: Korkean tason laskutoimitukset (esim. seuraavan siirron päättäminen shakkipelissä) voidaan suorittaa käytännössä äärettömän monella eri tavalla. Tietokonemallin rakentaminen, joka toteuttaa laskennallisen tavoitteen, ei kerro juuri mitään siitä, tekeekö se sen samalla tavalla kuin ihminen. Laitteisto asettaa kriittisiä rajoitteita mahdollisten mallien avaruudelle.
Keskustelua siitä, tarvitseeko meidän tutkia aivoja ymmärtääksemme mieltä, käydään nyt tuhansien tutkijoiden verkostossa eri puolilla maailmaa. Syntymässä oleva yksimielisyys näyttää olevan siitä, että toteutus on tärkeää. Mielenkiintoista on, että neurobiologit esittävät myös käänteisen kysymyksen – tarvitseeko meidän tarkastella mieltä ymmärtääksemme aivoja – ja vastaavat siihen suurelta osin ja yhä enenevässä määrin myöntävästi.
Voitamme oppia paljon mielestä tuntematta neuronia astrosyytistä. Kuten usein toistan itselleni ja toisinaan muillekin: ”Jos haluat ymmärtää ihmisen suorituskykyä, tutki ihmisen suorituskykyä.” Mutta aivotiedot antavat mielestä tietoa, jota ei voi saada edes kaikkein huolellisimmista käyttäytymistutkimuksista. Lyhyesti sanottuna aivotiedot tarjoavat fyysisen perustan, joka rajoittaa lukemattomia muuten uskottavia kognition malleja. Ne antavat meille suoran ikkunan siihen, mitkä mentaaliset prosessit liittyvät samanlaisiin ja erilaisiin neurobiologisiin prosesseihin, minkä ansiosta voimme käyttää biologiaa ”leikata luontoa sen nivelistä” ja ymmärtää mentaalisten prosessien rakennetta (Kosslyn, 1994). Aivotoiminta tarjoaa myös yhteisen kielen, jolla voidaan suoraan vertailla ja asettaa vastakkain prosesseja, jotka muuten ovat ”omenoita ja appelsiineja”, kuten tarkkaavaisuus ja tunteet. Tämä yhteinen kieli on perusta tiedon integroinnille eri tutkimustyypeissä – perustutkimuksessa ja kliinisessä tutkimuksessa, ihmisessä ja muussa kuin ihmisessä.
Koska neurokuvantamisen yleisiä käyttötapoja on käsitelty kaunopuheisesti muualla, keskityn tässä muutamaan esimerkkiin siitä, miten toiminnallinen magneettikuvaus (fMRI) on ollut hyödyllinen työssäni (ks. Jonides, Nee, & Berman, 2006). Lisäksi, koska jokaisella menetelmällä on rajoituksensa, keskustelen joistakin sudenkuopista, jotka liittyvät psykologisten johtopäätösten tekemiseen neurokuvantamisaineistosta.
Yksi käyttökohteeksi minulle on muodostunut tunteiden ja toimeenpanevien kontrolliprosessien rakenteen ymmärtäminen sekä tavat, joilla kognitiivinen kontrolli toimii emotionaalisissa ja ei-emotionaalisissa tilanteissa. Kollegani ja minä olemme kysyneet: Onko kipu erilaista kuin negatiiviset tunteet, kuten suru ja viha, vai ovatko ne yhteisen teeman muunnelmia? Meta-analyyseissä olemme havainneet, että kipu ja negatiiviset tunteet aktivoivat erillisiä aivoverkkoja, mutta niillä on yhteisiä piirteitä, kuten anteriorinen cingulaarinen ja frontaalisen aivokuoren aktiivisuus laajemman prosessiluokan kanssa, mukaan lukien huomio (Wager & Barrett, 2004; Wager, Reading & Jonides, 2004). Sitä vastoin negatiivisten tunteiden eri lajikkeet käyttävät pitkälti päällekkäisiä verkkoja. Siten kipu näyttää eroavan negatiivisista tunteista, mutta yhteiset piirteet viittaavat tapoihin, joilla ne voivat jakaa taustalla olevia prosesseja, kuten kohonnutta tarkkaavaisuutta.
Kysymykset psyykkisten prosessien samankaltaisuudesta ja erillisyydestä ovat olleet psykologian ytimessä sen perustamisesta lähtien, mutta lopulliset vastaukset ovat olleet vaikeasti saavutettavissa. Johtopäätökset ovat perustuneet pitkälti korrelaatioihin suorituksissa eri tehtävissä (tai fysiologisissa vasteissa, kun on kyse tunteista). Suoritustieto on kuitenkin suhteellisen informaatioköyhää: se, että kahden tehtävän suorittaminen kestää suunnilleen yhtä kauan, kertoo vain vähän siitä, ovatko vastauksen valintaan liittyvät prosessit olleet samoja. Fysiologiset vasteet kärsivät samanlaisista spesifisyysongelmista. Neurokuvantaminen tarjoaa paljon rikkaamman tietolähteen: jos kaksi tehtävää aktivoi samoja aivoalueita samassa määrin, niihin liittyy todennäköisesti samanlaisia prosesseja. Tämä logiikka tarjoaa keinon arvioida psyykkisten prosessien rakennetta niiden aivojen aktivaatiokuvioiden samankaltaisuuden perusteella. Näihin periaatteisiin perustuvassa tutkimuksessa kysyimme, liittyykö erilaisiin ”toimeenpanevaa kontrollia” koskeviin tehtäviin yhteinen aivosubstraatti (Wager, et al., 2005). Huomattava päällekkäinen aktivoituminen viittasi yhteiseen verkostoon, jossa kontrolloidaan vasteen valintaa.
Vaikka mekanismia koskevia kysymyksiä on vaikeampi käsitellä, neurokuvantaminen voi olla informatiivista myös tässä yhteydessä. Kipua koskevassa fMRI-tutkimuksessa kollegani ja minä havaitsimme, että lumelääkkeen aiheuttama kivunlievityksen odotus kytkee etuaivokuoren ja keskiaivojen kivunlievitysmekanismit (Wager et ai., 2004). Frontaalinen aktivaatio viittaa yhteiseen substraattiin kognitiivisen kontekstin ylläpitämiseksi, joka muokkaa sekä havainto-/motorisia että affektiivisia prosesseja, ja keskiaivojen aktivaatio viittaa opioidien analgeettisten järjestelmien sitoutumiseen. Tällaista suoraa näyttöä mekanismeista, joilla odotukset vaikuttavat kipuun, olisi vaikea saada ilman aivojen tutkimista.
Tutkimus osoittaa myös neurokuvantamisen lisähyödyn: Tapauksissa, joissa itseraportti voi olla epätarkka, kuvantaminen voi tarjota yhteneviä suoria mittauksia ärsykkeen keskeisestä käsittelystä. Vaikka odotukset saattavat vaikuttaa kipuraportteihin epäkiinnostavista syistä, jotka liittyvät kognitiiviseen raportointivirheeseen, todisteet siitä, että odotukset vaikuttavat meneillään olevaan kivun prosessointiin, tarjoavat yhtenevää näyttöä siitä, että ne muokkaavat kipukokemusta.
Kyllä, neurokuvantamistietoja voidaan käyttää väärin tai tulkita väärin monin tavoin. Alueellisen aivotoiminnan bruttotasot saattavat joissakin tapauksissa olla epäinformatiivisia psykologisten tehtävien samankaltaisuudesta: Kaksi erilaista tehtävää voi koskea samoja alueita, mutta käyttää eri neuronipopulaatioita tai sisältää erilaisia alueiden välisiä yhteyksien malleja. Kaksi samankaltaista tehtävää voi koskea eri alueita, mutta niihin voi liittyä samantyyppisiä laskutoimituksia. Neuraalinen aktiivisuus voi jäädä huomaamatta, koska havaittu kuvantamissignaali heijastaa vain epäsuorasti neuraalista aktiivisuutta, ja havaittu kuvantamisaktivaatio ei välttämättä ole tehtävän kannalta olennaista.
Yksi suurimmista sudenkuopista on houkutus havainnoida aivojen aktiivisuutta ja tehdä johtopäätöksiä psykologisesta tilasta – esimerkiksi vetää johtopäätöksiä episodisen muistin hakemisesta hippokampuksen aktiivisuudesta, pelosta amygdalan aktiivisuudesta tai visuaalisesta prosessoinnista aktiivisuudesta ’visuaalisella aivokuorella’ (’visuaalisen aivokuorella’)(Barrett& & Wager, 2006; Poldrack, 2006; Wager ym, painossa). Nämä johtopäätökset jättävät huomiotta niiden prosessien laajuuden, jotka voivat aktivoida kutakin näistä alueista, ja niihin liittyy päättelyvirhe: ”Jos muisti, niin hippokampus” ei ole sama asia kuin ”jos hippokampus, niin muisti”. Se, että vain harvat aivoalueet, mukaan lukien ”näköaivokuori”, on omistettu yhdelle prosessille, tarkoittaa sitä, että itseraportointi on edelleen kultainen standardi tunnekokemuksen ja ajatuksen sisällön arvioinnissa (Shuler & Bear, 2006). Tämä on vakava haaste niille, jotka haluaisivat esimerkiksi arvioida brändimieltymyksiäsi tai poliittista suuntautumistasi aivoskannauksen perusteella. (Ja eikö ole helpompaa vain kysyä?)
Nämä ongelmat ovat merkittäviä, mutta täydellistä menetelmää ei ole olemassa – mielen ymmärtämisen on synnyttävä koordinoidulla ponnistuksella, jossa käytetään kaikkien käytettävissämme olevien välineiden yhteneviä todisteita. Monia edellä mainituista ongelmista ollaan ratkaisemassa, kun tiedonhankinta- ja analyysimenetelmissä on edistytty, kun aivojen rakenteen ja psykologisten toimintojen välisestä kartoituksesta on kertynyt lisää tietoa ja kun on saatu vivahteikkaampia näkemyksiä siitä, millaiset johtopäätökset ovat uskottavia. Uskon, että alan kypsyessä nuoruuden riemu väistyy ja tilalle tulee järkevämpi näkemys siitä, milloin ja miten neurokuvantaminen voi antaa meille tietoa mielestä. Se, mitä olemme jo oppineet, on huomattavaa, ja eri alojen kiihtyvä integraatio johtaa yhä kehittyneempiin ja todenmukaisempiin mielen malleihin.
Barrett, L.F. ja Wager, T.D. (2006). Tunteiden rakenne: Evidence from neuroimaging studies. Current Directions in Psychological Science, 15, 79-83.
Jonides, J., Nee, D.E., Berman, M.G. (2006). Mitä toiminnallinen neurokuvantaminen on kertonut meille mielestä? Niin monta esimerkkiä, niin vähän tilaa. Cortex, 42, 414-427.
Kosslyn, S. M. (1994). Järjestelmän veistäminen sen nivelistä. Teoksessa Kuva ja aivot: Mielikuvakeskustelun ratkaiseminen. Cambridge, MA: MIT Press.
Marr, D. ja Poggio, T. (1977). Laskennan ymmärtämisestä hermopiirien ymmärtämiseen. Neurosciences Res Prog Bull, 15, 470-488.
Poldrack, R.A. (2006). Voidaanko kognitiivisia prosesseja päätellä neurokuvantamistiedoista? Trends in Cognitive Sciences, 10, 59-63.
Shuler, M.G., Bear, M.F. (2006). Palkitsemisen ajoitus primaarisessa näköaivokuoressa. Science, 311, 1606-1609.
Wager, T.D. ja Barrett, L.F. (2004). Affekteista hallintaan: Insulan toiminnallinen erikoistuminen motivaatioon ja säätelyyn.
Wager, T.D., Reading S., Jonides, J. (2004). Neurokuvantamistutkimukset huomion siirtymisestä: A meta-analyysi. Neuroimage, 22, 1679-1693.
Wager, T.D., et al. (2005). Vasteen eston yhteiset ja ainutlaatuiset komponentit, jotka paljastuvat fMRI:n avulla. Neuroimage, 27, 323-340.
Wager, T.D. et al. (painossa). Toiminnallisen neurokuvantamisen elementit. Teoksessa J. Cacioppo ja R.J. Davidson (toim.), Handbook of Psychophysiology. Cambridge, MA: Cambridge University Press.
Wager, T.D., et al. (2004). Plasebon aiheuttamat muutokset fMRI:ssä kivun ennakoinnissa ja kokemuksessa. Science, 303, 1162-1167.