Aivojen kehityksen arvoitus

Aivotutkija Jetro Tuulari on kiinnostunut melkein kaikesta mikä vaikuttaa lapsen aivojen kehitykseen. Niinpä hän tarvitsee isoja aineistoja ja paljon laskentatehoa.

Pieni poika kokee lapsuudessaan kovia. Häntä kohdellaan kaltoin. Hän ahdistuu ja stressaantuu.

Vuosikymmeniä myöhemmin pojasta tulee isä. Lapsuuden stressi on vaihtunut rauhallisempaan aikuisuuteen, mutta silti se on voinut jättää ylisukupolvisen merkkinsä. Kaltoinkohtelukokemusten todettiin olevan yhteydessä vastasyntyneen lapsen valkean aineen korkeampaan eheyteen, joka yleensä liittyy aivojen varhaiseen kehitykseen.

Onko isän lapsena kokema stressi ehkä nopeuttanut aivojen kehitystä? Ja mitä tämä mahdollisesti voisi tarkoittaa?

Nopeasti ajateltuna syy-seuraussuhde isän vanhojen kokemusten ja vastasyntyneen aivojen välillä kuulostaa liki uskomattomalta. Kyse ei voi olla perimästä: isän perimä on lyöty lukkoon jo ennen hänen lapsuuttaan. Lapsen alkuun pannut siittiö taas on muodostunut kauan lapsuuden ahdistuksen jälkeen.

Mekanismia tai merkitystä myöhemmälle kehitykselle ei vielä ymmärretä, mutta yhteys oli selvästi havaittavissa sekä vastasyntyneen aivoihin että toisessa tutkimuksessa siittiöiden epigenetiikkaan, kertoo aivotutkija Jetro Tuulari. Hän vetää Turun yliopistossa lasten aivojen kehitystä laajoilla aineistoilla kartoittavan FinnBrain-tutkimuksen aivokuvantamisen osatutkimusryhmää.

FinnBrain-tutkimus on Turun yliopistossa vuonna 2010 aloitettu tutkimus, jonka tarkoituksena on selvittää ympäristön ja perimän vaikutusta lapsen kehitykseen ja terveyteen. Sen taustalla piilee yksilönkehityksen suuri kysymys: kumpi merkitsee enemmän, perimä vai ympäristö?

Lähtökohdasta on kuitenkin edetty moneen suuntaan. Kuten esimerkiksi isiin.

”Minulla on vähän tapana lähteä rönsyilemään tutkimusaiheiden kanssa. Kuten vaikka aivoista siittiötutkimukseen” Tuulari kertoo.

Aivotutkija Jetro Tuulari työskentelee Turun yliopistossa FinnBrain-tutkimuksen aivokuvantamisen tutkimusryhmässä.

Aivokuva ennakoi painon kasvua

Isätutkimus on vain yksi monista Tuularin kiinnostuksen kohteista. Niitä yhdistävät aivokuvantaminen ja suuret aineistot.

FinnBrainissa hänen tärkein tutkimusaineistonsa on noin 4 000 varsinaissuomalaisen ja ahvenanmaalaisen perheen tutkimusryhmä, josta on aivokuvattu noin 200 lapsen kohortit kahden viikon, viiden vuoden ja 10–11 vuoden iässä. Toiveena olisi kuvata uusi ikäpiste lähivuosina, tutkittavien ollessa ehkä 16 tai 17, riippuen siitä, mihin saadaan rahoitusta.

FinnBrain-tutkimuksen aineiston lisäksi Tuulari käyttää suuria ulkomaisia aineistoja, esimerkiksi yhdysvaltalaista Adolescent Brain Cognitive Developmentin aineistoa, jossa on aivokuvattu 12 000 ihmistä joka toinen vuosi.

Silti hän haluaisi yhä suurempia aineistoja.

”Toivoisin pääseväni tuhansien ihmisten aineistoista kymmenien tuhansien aineistoihin.”

Tällainen vaatii erilaisten, ympäri maailmaa kerättyjen aivokuvantamisaineistojen yhtenäistämistä ja yhdistelemistä. Apuna käytetään tekoälyä, joka voi tarvittaessa paikata aineistojen puutteita terävöittämällä kuvien resoluutiota valmiiden mallien pohjalta.

Suuret aineistot mahdollistavat monenlaiset tutkimuskysymykset ja luotettavampia tutkimustuloksia. Väitöksestään lähtien Tuulari on ollut kiinnostunut lasten aivojen ja painon kehityksen yhteydestä. Tuoreimmassa tutkimuksessa hän havaitsi kiinnostavan korrelaation: aivoissa on erilaisia toiminnallisia hermoverkkoja, jotka aktivoituvat ja menevät päälle yksilöllisesti vaihtelevilla nopeuksilla. Näiden aivoverkkojen uusilla menetelmillä määritetyt dynaamiset muutokset 9–10-vuotiaana liittyvät lapsen painonnousuun myöhemmin teini-iässä.

”Dynaamisuudesta kertovat muuttujat eivät selitä koko ilmiötä, vaan sen selitysvoima painon osalta on noin 20 prosentin luokkaa. Se on kuitenkin selvästi enemmän kuin aiemmin raportoiduilla toiminnallisen kuvantamisen selitysmalleilla.”

Siitä, miksi verkostojen dynaamisuus vaikuttaa painonnousuun, tutkimus ei vielä kerro. Mahdollisia hypoteeseja voivat olla yllykkeiden säätelyn tai näläntunteen erot.

”Silti sillä voisi olla merkitystä esimerkiksi riskiryhmien tunnistamisessa”, Tuulari kertoo.

Aivomuuttujat kasvukäyrällä

Toinen Tuularia viime aikoina kiinnostanut asia on aivojen koon kehitys vastasyntyneestä aikuisuuteen yhteistyössä Cambridgen ja Pennsylvanian yliopiston tutkijoiden ja heidän johtamansa kansainvälisen konsortion kanssa.

”Ideana on määrittää kasvukäyrän hieman samaan tapaan kuin vaikka pituudelle”, Tuulari kertoo.

”Että jos vastasyntyneen aivot kuvataan, voidaanko kuvasta päätellä, minkä kokoiset aivot nuorella on aikuisena.”

Kysymys ei ole ihan suoraviivainen. Aivojen kasvuun alakouluiässä näyttäisi liittyvän samanlainen kasvupyrähdys kuin pituuteen teini-iässä: jos aivot kasvavat nopeasti lapsuudessa ja esiteininä, voi kasvu tyssätä siihen, kun taas hitaammin kasvavista aivoista voi tulla suuremmat.

Mutta mitä merkitystä aivojen kasvuennusteella sitten olisi? Olisiko ajatuksena seuloa todennäköisesti isoaivoisimmat jo varhaislapsuudessa?

”Ei ole tässä vaiheessa”, Tuulari vakuuttaa. Edes aivojen koon suhde älykkyyteen ei ole yksinkertainen, vaikka esimerkiksi muistisairaudet aivoja kutistavatkin. Esimerkiksi pikkulapsilla isojen aivojen on todettu lisäävän autismin riskiä.

”Ensisijaisesti tämä on perustutkimusta. Mutta hieman neuvolan kasvukäyrän tapaan ennuste olisi yksi tapa seurata kehitystä ja antaa mahdollisuus huomata, jos kehitys ei mene odotusten mukaan. Aivojen kasvukäyrät toivottavasti johtavat kliinisiin sovelluksiin.”

Tutkimuksessaan Tuulari käyttää suuria aineistoja, joissa on paljon dataa. Tyypillistä tutkimusaineistoa ovat kolmiulotteiset aivokuvat, joissa on valtavasti informaatiota. Ja näitä tarvitaan mieluiten kymmeniä tai satoja tuhansia.

Läheskään kaikki ohjelmistot eivät pysty käsittelemään kuvia. Niinpä Tuulari on yhdessä tietojenkäsittelytieteen tohtorin Harri Merisaaren kanssa kehittänyt tapaa muuttaa aivokuvia taulukkomuotoon. Yksi kolmiulotteinen aivokuva muutetaan tauluksi, jossa on noin 192 000 solua. Tämä uusi tiedostomuoto mahdollistaa useat sovellukset. Jos taas seurataan aivojen toimintaa, kuvia otetaan 1–3 sekunnin välein ja kuvauksen pituus voi olla jopa 10 minuuttia. Niinpä yhdestä kolmiulotteisesta kuvasarjasta tulee 4 800 000 datapistettä.

Kun vertailussa voi olla tuhansia ja tuhansia aivokuvia, nousee datapisteiden määrä nopeasti. Niinpä laskemiseen tarvitaan supertietokoneita.

Tuulari kertoo käyttävänsä työssään sekä Cambridgen yliopiston supertietokonetta että CSC Tieteen tietotekniikan keskuksen Puhti-konetta. Kummassakin on puolensa.

”Cambridgen palvelimella jonotusajat ovat lyhyemmät, mutta CSC:n palveluiden kanssa asioiminen on monella tapaa mutkattomampaa. Aineistojen lisäksi tarvitsemme usein meitä varten optimoituja ohjelmistoja. Niiden saaminen supertietokoneelle ei aina ole ihan helppoa, mutta CSC on ollut näissä todella joustava.”

Perimän valtava vaikutus

Mutta entä se suurin kysymys? Mihin johtopäätökseen Tuulari on päässyt valtavien aivokuvantamisaineistojen, vuosikymmeniä pitkien seurantatutkimusten ja oman FinnBrain-aineistonsa pohjalta? Kumman merkitys on suurempi, perimän vai ympäristön?

Tutkimuksessa näkyy merkkejä molemmista. Perimä vaikuttaa lapsen kehitykseen, mutta esimerkiksi tulos isän kaltoinkohtelun vaikutuksesta lapsen aivoihin osoittaa, että ympäristö voi vaikuttaa jopa sukupolvien yli.

Silti Tuularin oma arvio painaa vaakakupin perimän puolelle.

”Ajattele vaikka, miten monimutkainen elin aivot ovat. Kun sikiö kehittyy, koko ohjelma aivojen rakentamiseen on siellä perimässä, koodattuna DNA:sta syntyvien aminohappojen ketjuun. Se on suoranainen ihme.”

”Perimässä on ohje siitä, mikä on käden muoto ja millaiset ovat toimivat aivot. Ja ne tiedot ovat meillä jo syntymässä. Siksi geenit ovat nähdäkseni lapsen aivojen kehityksessä ykkössijalla. Me aikuiset sitten voimme toki elämäntavoillamme vaikuttaa paljonkin siihen, miten niiden pohjalta pärjäämme.”

Teksti, Tuularin valokuva ja video: Juha Merimaa
10.4.2026
Lue artikkeli PDF-muodossa