Aivot

Aivot (encephalon) on keskushermostoa kontrolloiva elin, jonka päätehtävä on käsitellä aistien välityksellä saatua informaatiota siten, että eliön toimintakyky ympäristössään säilyy.

Ihmisen aivoja tutkitaan esimerkiksi neurologian että neuropsykologian aloilla. Suurin osa aivotutkimuksesta on kuitenkin tehty eläinten aivoja tutkimalla. Monia asioita ihmisaivoista ei vielä pystytä selittämään. Tietoisuuden synty fysiologisista prosesseista on kenties vaikeimmin selitettävä ongelma, jonka kohdalla tyydyttävä ratkaisu on vielä kaukana, jos lainkaan saavutettavissa. Nykytieteen konsensus kuitenkin on, että tietoisuuden tapahtumat ovat aivojen fyysisiä tapahtumia. Ensimmäisiä viitteitä uudesta lupaavasta tutkimussuunnasta on itseorganisoituminen ja siihen liittyvä emergenssi.

Oppimisessa aivojen neuronien välille muodostuu yhteyksiä, täten aiheutuu se että eliö kykenee päättelemään saamiensa havaintojen perusteella asioita ympäristöstään - perustuen aiempiin havaintoihin.

Ihmisen aivot

MRI brain.jpg]] Ihminen kykenee pohtimaan elämän tarkoitusta, sekä on tietoinen omasta olemassaolostaan.

Ihminen kykenee oppimaan tietoisesti uudenlaisia toimintatapoja, tai opettelemaan tuntemaan haluamiaan tunteita johonkin asiaan liittyen, esim: Eräs menetelmä päästä eroon riippuvuudesta johonkin asiaan on opetella suhtautumaan kielteisesti siihen.

Ihminen on psykofyysinen kokonaisuus jossa henkinen tila vaikuttaa fyysisesti, ja päinvastoin.

Aivoista voidaan erotella erilaisia yksiköitä:

Isoaivot, jotka peittävät lähes kokonaan muut osat. Sen pinta-alaa, jopa 0,2 neliömetriä, kasvattaa voimakas poimuttuneisuus ja pinnassa eli isoaivokuoressa, korteksissa, on harmaata ainetta, jonka on muodostanut neuronien soomaosat. Korteksista voidaan useimmissa kohdissa erottaa jopa kuusi päällekkäistä neuroni ja hermosyy kerrosta. Korteksin alla on valkeaa ainetta, joka on muodostunut neuronien aksoneista, joita verhoaa myeliinituppi. Aksonit yhdistävät aivojen eri osia toisiinsa ja basaaliganglioihin, harmaisiin tyvitumakkeisiin, jotka ovat valkean aineen sisällä. Basaaligangliot osallistuvat mm. liikkeiden säätelyyn. Isoaivokuoressa on edustettu erilaisia toimintoja, mitä suurempi ala, sen hienosäätöisempi toiminto. Isoaivot ovat jaettu kahteen hemisfääriin, aivopuoliskoon, joita yhdistää aivokurkiainen

Pikkuaivot, jotka sijaitsevat takaraivossa, isoaivojen alla. Se on rakenteeltaan isoaivojen kaltainen, harmaan aineen alla valkeaa ainetta, jossa harmaita tumakkeita, vielä voimakkaammin poimuuntunut ja keskeltä miltei halki. Pikkuaivot ovat vastuussa nopeista, korjaamattomista liikkeistä, valmiiden liikemallien tuottamisesta ja lihasten synkronisaatiosta ja koordinoinnista liikkeiden aikana.

Väliaivot ovat isoaivojen sisällä, jonka tärkeimpiä yksiköitä ovat suuret tumakkeet talamus ja hypotalamus. Talamus toimii kaikkien muiden aistiratojen paitsi hajuradan väliasemana. Tiedon muokkaus alkaa jo talamuksessa ennen sen pääsemistä kyseiseen aivokuorialueeseen. Hypotalamus säätelee hypofyysiä, aivolisäkettä, jonka erittämät hormonit vaikuttavat kaikkialle kehoon. Hypotalamus osallistuu myös vireystilan ja vuorokausirytmin säätelyyn mm. biologisen kellon suprakiasmaattisen tumakkeen avulla. Adenohypofyysi, aivolisäkkeen etulohko, erittää hypotalamuksen säätelemänä tropiineja. Tropiinien eritystä taas säätelevät hypotalamuksen statiinit, estäjät, ja liberiinit, vapauttajat jotka saapuvat hypofyysiin hypotalamuksesta erityisen verenkiertojärjestelmän kautta. Tropiinit stimuloivat muiden umpirauhasten toimintaa esim. tyreotropiini kilpirauhasta. Neurohypofyysi, aivolisäkkeen takalohko taas on vastuussa oksitosiinin ja vasopressiinin erityksestä. Adenohypofyysi on muodostunut kitaluun katon epiteelikudoksesta, ja on näin ollen periaatteessa puhdas rauhanen, kun taas neurohypofyysi on muodostunut väliaivojen pullistumasta ja on hermokudosta.

Keskiaivot ovat väliaivojen alapuolella, osa aivoja. Keskiaivoissa kulkee runsaasti hermoratoja ja sen tumakkeet ovat vastuussa mm. vireystilan, unentuoton ja univaiheiden säätelystä sekä on osa vireystilaa säätelevästä aivoverkostosta

Aivosilta ja ydinjatke sijaitsevat aivojen ja selkäytimen välissä, yhdistäen ne toisiinsa. Ydinjatkeessa sijaitsee paljon autonomisen hermoston säätelyyn osallistuvia toimintoja, kuten esim. presso- ja kemoreseptorit, jotka mittaamalla verenpainetta ja happamuutta säätelevät sydämen lyontitiheyttä ja -voimakkutta sekä hengitysrytmiä. Aivosilta ja ydinjatke ovat myös osa aivoverkostoa.

Aivokammiot ovat tuottamansa aivo-selkäydinnesteen eli likvorin täyttämiä onteloita aivojen sisällä. Isoaivopuoliskojen sisällä sijaitsevat vasen ja oikea sivukammio ja ne ovat yhteydessä kolmanteen aivokammioon, joka sijaitsee väliaivojen alueella. Kolmas aivokammio on puolestaan yhteydessä aivonesteviemärin välityksellä ydinjatkeen sisällä sijaitsevaan neljänteen aivokammioon, joka jatkuu selkäytimen keskuskanavana. Kolmannesta aivokammiosta likvori kulkee myös kolmen pienen aukon kautta lukinkalvononteloon, josta se jatkaa kovan aivokalvon lehtien välissä oleviin suurin laskimoihin eli aivoveriviemäreihin araknoidaalivillusten kautta.

Aivojen systeemiset tasot

Aivojen systeemisinä tasoina nähdään:

synapsit, hermosolujen väliset kytkennät,
neuronit, hermosolut
verkostot
kartat
järjestelmät ja
keskushermosto.

Kokoluokka alkaa synapsien yhdestä mikrometristä ja päätyy keskushermoston yhteen metriin. Keskimäärin tason suuruusluokka kasvaa kymmenkertaiseksi joka portaalla.

Aivojen pohjatasot, neuronit ja sähkökemialliset pulssit

Alin biologinen solurakenne aivoissa on sen noin 100 miljardia hermosolua, neuronia. Lopulta aivojen toiminta perustuu em. neuronien ja niiden jokaisen väliseen, noin 15.000 kytkentään. Aivoissa on siis noin 1500 biljoonaa neuronien välistä kytkentää. Näissä kytkennöissä kulkevat hermoimpulssit (sähkökemiallinen ero), jotka muokkautuvat ja joita säännöstellään jokaista erikseen monimutkaisesti solun sisällä ja neuronien välisten kytkentöjen, synapsien rajapinnassa.

Aivojen metametataso, tietoisuus

Miten sitten on selitettävissä esim. ihmisen luovuus, viisaus tai tietoisuus, jos ne ovat "vain" kompleksisessa rakenteessa kulkevia pulsseja? Lupaavin hypoteesi tähän on kompleksisten systeemien keskeinen ominaisuus, itseorganisoituminen, järjestyksen syntyminen "tyhjästä" yhdistettynä yleiseen olemassaolon hierarkkiseen rakenteeseen.

Suuresta määrästä kompleksisia osia syntyy osia suurempi, mutta osista koostuva, tietyn pysyvyyden omaava "hahmo". Tällaiset "hahmot", jos niitä on tarpeeksi, voidaan edelleen käsittää osiksi, joista muodostuu metahahmoja, hahmojen hahmoja. Jne. Kunkin tason ominaisuudet ovat täysin erillisiä alatasosta ja omia, uusia emergenttejä ilmiöitään.

Jos oletetaan esimerkiksi, että noin 1000 kompleksisesta osasta, neuronista on mahdollista muodostua ylempi taso, "hahmo", saadaan aivoihin viisi tasoa: neuroni, tuhat neuronia, miljoona neuronia, miljardi neuronia ja 100 miljardia neuronia. Näistä viimeinen on yksi, eli tietoisuus? Jokainen taso on oma ilmiönsä, eli sieltä löytyvät esim. ajatukset ja ajatusten "aliajatukset". Meillä ei taida olla havaintoja kuin aivojen alimmasta ja ylimmästä tasosta?

Olemassaolon ja ihmisten systeemit rakentuvat hierarkkisen, tasoja toistensa päälle muodostavan periaatteen mukaan. Ei ole perusteita sille, etteikö aivot toimisi tällä yleisellä olemassaolon periaatteella, mutta vain hyvin kompleksisina rakenteina.

Muita metatason ilmiöitä

Sama ilmiö näkyy aineessa. Jos oletamme, että kvarkki (ja elektroni) on pienin aineen yksikkö, niin mitä ovat atomin osat? Ne ovat N- kappaletta tietyllä tavalla järjestynyttä kvarkkia, "hahmo", jota kutsumme neutroniksi ja protoniksi. Mitä ovat atomit? Kvarkkien hahmojen, eli neutronien ja positronien (ja elektronien) hahmoja. Atomien ympärillä ei ole jostain muodostuvaa rajaa jonka sisällä olisi atomi. On vain tietyllä tavalla toisiinsa vaikuttavia kvarkkeja, elektroneja ja niiden ryhmiä.

Aivot ja tietokoneet

Myös aivoihin usein rinnastetussa tietokoneessa löytyy edellä mainittu rakenne sekä laitteisto- että ohjelmistopuolella. Laitteistopuolella rakennetasot ovat:

tietokone
tietokoneen osat, esim. keskusyksikkö
piirilevyt, esim. emolevy
mikropiirit (ja muut elektroniset osat), esim. mikroprosessori
mikropiirin toiminnallinen osa, esim. muisti
mikropiirin toiminnalisen osan peruskomponentti, esim. flip-flop
puolijohde, esim. transistori (vrt. neuroni)
puolijohteen rajapinta (vrt. synapsi).

Ohjelmistopuolella osia ovat:

tietokonelaitteiston ohjelmisto kokonaisuutena
käyttöjärjestelmä, sovellutusohjelmat, apuohjelmat
ohjelma, esim. tietokonepeli
ohjelman osat, esim. aliohjelmat
aliohjelmien osat, esim. toiminnallinen lohko
toiminnallisen lohkon osat, esim. ohjelmistokielen käskyt, suoritusvaiheessa mikroprosessorin konekielinen käsky
konekielisen käskyn bitit (8 - 64), jotka ohjaavat mikroprossessorin toimintaa.

Edellisen perusteella tietokonepelaajalle vauhdikkaana rallipelinä (kuvat, äänet, tekstit, tärinä) näkyvä ilmiö on pohjimmiltaan vain ykkösiä ja nollia, miljardeja bittejä sekunnissa, jota tietokoneen rakenne tulkitsee ja jonka näyttämiä kuvia ja ääniä (yms.) tietokoneen käyttäjän aivot tulkitsevat.

Aivojen ja tietokoneiden samankaltaisuudesta

Aivot eivät ole tietokone. Aivoilla voidaan nähdä kuitenkin seuraavia samankaltaisuuksia tietokoneen kanssa:

molempien pohjana on aine, tietokoneessa puolijohteet (pii, germanium, galliumarseeni) ja aivoissa valkuaisaineet ym. biokemialliset molekyylit ja lopulta atomit, etenkin hiili, vety ja happi
molemmat käsittelevät tietoa
molemmat on "synnyttänyt" jokin, aivot luonnon evoluutio ja tietokoneen ihmisen kulttuurievoluutio
molemmissa on useita tiedon tasoja, jotka muodostuvat N- kappaleesta alempia tasoja ja molemmissa ylemmällä, uudella tasolla on jokin uusi, itsenäinen merkitys. Aivoissa tämä on vielä enemmänkin hypoteesi kuin tieteellinen fakta. Kuitenkin hypoteesina:
1. bitti ja hermoimpulssi
2. transistori ja neuroni
3. konekielinen käsky ja X
4. aliohjelma ja Y
5. ohjelma ja Z
6. ohjelmisto ja tietoisuus
7. aivojen päälohkot ja tietokoneen osat
molemmissa on laitteisto ja laitteistoon perustuva ohjelmisto:
1. laitteet, mikropiirit ym. ja neuroniverkko
2. ohjelma ja neuroimpulssien ja niistä usealla tasolla muodostuvien "hahmojen" toiminta

Aivojen ja tietokoneiden eroista

Aivot ja tietokoneet eroavat kuitenkin merkittävästi mm. seuraavilla tavoilla:

rakenneosat perustuvat eri tieteen aloihin: transistori fysiikkaan; puolijohde- ilmiöön ja aivot biologiaan, elävään hermosoluun
pienimmän rakenneosan kompleksisuus on aivan eri luokkaa: neuroni on elävä solu, siis hyvin kompleksinen rakenne. Lisäksi sillä on 2500 - 15.000 yhteyttä naapurineuroneihin. Transistori koostuu muutamasta puolijohderajapinnasta, kahden hieman erilaisen aineen liitoksesta
aivojen signaalinopeus on noin 300 km/h, tietokoneen noin valon nopeus, 1080.000.000 km/h
neuronien aikaskaala on millisekunteja, tietokoneiden miljoona kertaa nopeampia
aivojen rakenne eroaa tietokoneen rakenteesta mm. moduliensa suhteen
neuronit kasvavat, kehittyvät ja surkastuvat, toisin kuin mikropiirit tai niiden transistorit
neuronit ovat dynaamisia ja muuttuvat rakenteellisesti oppiessaan
aivojen rakenteen muutokset edellyttävät geneettisiä muutoksia ja tietyt geenit käynnistyvät, kun neuroni toimii tietyllä tasolla
aivot ovat rinnakkainen, tietokone pitkälti peräkkäinen rakenne
tietokoneen osien yhteistoimintaa säätelee kello. Aivoissa ei ole kelloa.
tietokoneen on rakentanut ihminen numeroiden murskaukseen, aivot evoluutio kompleksisen biologisen systeemin sisäistä koordinointia varten ja ko. systeemin koordinoimiseksi ympäristöönsä.

Monissa näissä eroissa teknologia on viemässä joillakin aloilla tietokoneita aivojen suuntaan. Tietokoneiden verkottuessa ja pienentyessä, yhdestä tietokoneesta alkaa muodostua neuronia vastaava yhtenäinen rakenneosa ja neuroverkoilla on monia aivojen ominaisuuksia: oppiminen, muokkautuvaisuus.

Tekoälytutkijat kuitenkin usein huomauttavat, että aivot toimivat rinnakkaisprosessointimallilla lähinnä sen takia, että aivoissa on niin valtava rinnakkaisprosessointikapasiteetti ja neuronien toiminta on niin hidasta. Jos neuronit olisivat yhtä nopeita kuin mikropiirit, olisivat aivotkin saattaneet kehittyä pikemminkin sarjaprosessointimallin pohjalta toimiviksi.

Vaikka tietokoneessa on erillisen muistit, keskusyksikkö jne. monia niitä yhdistää kuitenkin se, että niiden pohjalla ovat transistorit.

Tietokonemallin ongelmallisuudesta

Aivojen vertaaminen tietokoneeseen tuli yleiseksi 80-luvun kognitiivisen psykologian alun myötä. Kognitiivinen psykologia kuitenkin varsin pian joutui toteamaan, että aivot eivät ole rationaalisia, loogisia tai edes luotettavia. Aivojen toiminta on hyvin pitkälle vääristynyttä ja laiskaa ja koko toiminnan tarkoitus on niin erilainen tietokoneiden tarkoituksesta, että aivojen ja tietokoneiden vertaaminen toisiinsa on lähes mahdotonta.

Tietokone käsittelee diskreettejä ja selkeitä signaaleja erehtymättömän tarkasti, kun taas aivot käsittelevät analogisia ja epävarmoja signaaleja, tehden niistä heuristisia päätelmiä. Näiden päätelmien tarkkuuteen vaikuttaa mm. signaalin subjektiivinen uhkaavuus, aivojen yleinen vireystaso, huomion jakaminen ja suuntaaminen, sekä muut kuormitustekijät. Aivot eivät tuota heti oikeaa tulosta, vaan tyypillisesti tuottavat veikkauksen todella nopeasti ja jos tämä veikkaus antaa aihetta tarkempaan tutkimiseen, korjaavat käsitystään toistuvasti.

Esimerkiksi nopeasti vilaukselta nähty maassa oleva oksa voi aiheuttaa hälytysreaktion (koska se muistuttaa käärmettä) jo ennen kuin näköaivokuori on ehtinyt signaalia käsitellä ja näköhavainto olisi ehtinyt tietoisuuteen. Tämä aiheuttaa huomion kohdistumisen tähän esineeseen, näköhavainnon tarkentumisen ja hälytyksen perumisen, kun se tunnistetaan oksaksi. Syy tällaiseen vääristymään (pitkulaiset maassa olevat hahmot tulkitaan käärmeiksi) on aivojen toiminnan tarkoitus - hengissä selviämismahdollisuuksien kasvattaminen. Aivot ovat evolutiivisesti niin äärettömän kallis rakennelma, että sellaisia ei eläimille olisi kehittynyt, elleivät ne parantaisi niiden hengissä selviämis- ja lisääntymismahdollisuuksia. Tiukan rationaalinen tietokonemainen aivo, joka ei suostuisi antamaan vastausta "oksa" tai "käärme" ennen kuin havainto olisi täysin varma, ei kauaa selviäisi luonnossa.

Aivojen evoluutiosta

ComparitiveBrainSize.jpg Aivojen kehitystä on selitetty monella tavalla, mm. kyvyllä hallita laajaa sosiaalista yhteisöä, muistaa kuka on kenenkin kaveri ja kuka on huijannut/auttanut toista. Seksiä on esitetty aivojen kehitykseen niin, että naiset ovat valinneet jälkikasvunsa isäksi älykkäimmät, siis parhaiten ruokaa ja suojaa lapsille tarjoavat miehet.

Työkalujen, aivojen ja energian välille on kehitetty seuraava positiivinen takaisinkytkentä: Suuremmat, paremmat aivot mahdollistavat paremmat työkalut, paremman teknologian. Paremmilla työkaluilla saadaan parempaa ruokaa ja enemmän, jolloin voidaan ylläpitää suurempia aivoja. Aivot kuluttavat suhteessa muuhun elimistöön paljon energiaa. Suuremmilla aivoilla voidaan tehdä jälleen parempia työkaluja jne. Paremmilla aivoilla voidaan myös organisoida yhteisöjä paremmin sekä kerätä ja analysoida tietoa tehokkaammin. Nämäkin taidot tuovat enemmän ja parempaa energiaa.

Aivot ja evoluutio

Aivojen merkitys evoluutiossa on kompleksisuuden hallinta. Ensin tehdä kompleksisesta eliöstä kokonaisuus, systeemi ja toiseksi mahdollistaa oppimisen kautta aivoilla varustetun eliön nopeampi ja joustavampi (oppiminen) sopeutuminen ympäristöönsä ja sen muutoksiin. Kehittyneempien aivojen ylivoimasta evoluution aiempiin versioihin verrattuna on mungon (nisäkäs ja oppiminen) ja käärmeen (matelija ja reagointi) välinen kaksintaistelu.

Jos ihmisen "oppiminen" perustuisi geenimuutoksiin populaatiossa, oppimiseen tarvittaisiin sukupolvia. Aivoihin perustuvassa oppimisessa aikaskaala on siis vuosituhansien sijasta vuosi tai vieläkin selvästi lyhyempi ajanjakso.

Aivot mahdollistavat myös aivoilla varustettujen eliöiden kompleksisen ja aivoihin perustuvaan oppimiseen perustuvan yhteistoiminnan. Tässä erityisen tärkeä on kompleksisen yhteistoiminnan vaatima kommunikaatiotaito, kieli.

Em. tavalla ymmärrettynä aivot ovat evoluution tämän hetkinen "huipputuote".

Katso myös

Aiheesta muualla

Ihmisaivojen rakenne ja toiminta

Lähteet

Particia S. Churchland:"Neurofilosofia" Terra Cognita Oy Hakapaino 2004

Hermosto

Gourt Home::Gourt :: Aivot