Hyönteisistä ihmisaivojen rautalankamalli

Hyönteisten aivot ovat ihmisaivoja huomattavasti pienemmät ja yksinkertaisemmat mutta solutasolla samanlaiset. Niiden avulla voidaan tutkia vielä tuntematonta hermoston perustoimintaa.

Professori Matti Weckström ryhmineen on kehittänyt hyönteisten virtuaalimaailman, jolla he tutkivat muun muassa kimalaisen, torakan, perhosen ja tikkuhyönteisen näköaistin ja aivojen toimintaa.

Hyönteisiä on käytetty tutkimuksen apuna pitkään. Raatokärpäset ovat auttaneet ruumiiden kuolinajan määrittämisessä ja kaikki muistavat banaanikärpästen avulla tehdyt perinnöllisyyskokeet.

Ihmisaivot ovat monimutkainen elin, jossa aistien välityksellä saatu informaatio muuttuu teoiksi ja tunteiksi vielä melko tuntemattomien prosessien kautta. Lähemmäs totuutta päästään askel – vai pitäisikö sanoa ötökkä kerrallaan.

Aivojen tutkimiselle hyönteiset antavat loistavan panoksen tarjoamalla yksinkertaistetun tutkimusympäristön. ”Ihmisen ja ötökän aivoista otetut hermosolut ovat samanlaisia. Se, mikä poikkeaa, on hermosolujen määrä ja miten ne kytkeytyvät ja muodostavat mikropiirejä aivoissa”, selittää Oulun yliopiston biofysiikan professori Matti Weckström.

Aivot koostuvat hermosoluista, joita ihmisellä on reippaat 100 miljardia. Luku on käsittämättömän suuri, ja siitä johtuen ihmisaivoja pidetään yhtenä maailmankaikkeuden monimutkaisimmista orgaanisista kokonaisuuksista.

”Kärpäsellä on hermosoluja noin miljoona. Onhan sekin paljon, mutta sitä on huomattavasti helpompi tutkia”, jatkaa Weckström. Solutasolla aivojen pohjapiirros on sama, joten hyönteisten aivot toimivat eräänlaisena rautalankamallina.

Hermoston tutkimisessa tarvitaan biologiaa ja biokemiaa, mutta aivojen signaalit ovat olennaisesti sähköisiä, joten fysiikkaa tarvitaan ilmiöiden mittaamiseen ja ymmärtämiseen.

”Tarkoitus on selvittää, miten hermosto käsittelee informaatiota. Meillä ei vielä ole ymmärrystä esimerkiksi dementian tai masennuksen syntymekanismeista ja syistä. Hermostojen toiminnan perustutkimuksella pääsemme koko ajan lähemmäksi”, Weckström arvioi.

Eri ötököistä eri informaatiota

Weckström tiimeineen tutkii aivojen hermostoja ensisijaisesti hyönteisten näköaistin avulla. Kuulo-, haju- ja tuntoaisteihin verrattuna on yksinkertaisempaa luoda koetilanteita näköaistin manipuloimiseksi. Myös informaatiota saa helpommin.

Eri hyönteiset soveltuvat eri asioiden tutkimiseen. Raatokärpänen ja kimalainen antavat tärkeää tietoa siitä, miten näkö toimii päivänvalon olosuhteissa, jolloin informaation määrä on valtava.

Torakat ovat yöeläimiä ja niitä tutkimalla saadaan tietoa, minkälaiset järjestelmät silmässä ja hermostossa mahdollistavat toimimisen ympäristössä, jossa fotoneja eli valohiukkasia tulee vain silloin tällöin.

Tikkuhyönteiset ja malluaiset puolestaan ovat mielenkiintoisia tutkimuskohteita, sillä niiden näköaisti on kehittynyt erikoisella tavalla. ”Tikkuhyönteiset ovat tutkimustemme mukaan poikasina päivähyönteisiä, mutta aikuisiällä ne muuttuvat yöeläjiksi. Malluaiset taas pystyvät näkemään hyvin sekä vedessä että ilmassa”, Weckström kertoo.

Hyönteisten hermostoa tutkitaan muun muassa tutkimusryhmän itse kehittämässä hyönteisten virtuaalimaailmassa, jossa hyönteisille heijastetaan niitä ympäröivälle pallomaiselle pinnalle esimerkiksi ruohonjuurinäkymä. Ötökkä liikkuu herkän pallon päällä, ja sen liikkeistä ja käyttäytymisestä saadaan informaatiota. Myös erilaisia valoärsykkeitä luomalla saadaan reaaliaikaista tietoa ötököiden aivojen tapahtumista.

Hyönteisiä kasvatetaan Oulun yliopiston fysiikan laitoksen tiloissa, mutta pelkoa ötökkäinvaasiosta ei ole. Esimerkiksi torakat ovat koiraita. Eikä kukaan ole vielä unohtanut lukita terraarion ovea

Nanometrin tarkkaa työtä

Weckström ryhmineen tekee erittäin tarkkoja mittauksia ja mikromanipulaatioita yksittäisten solujen pinnoille. ”Pystymme mittaamaan elävistä hyönteisistä yksittäisten hermosolujen lähettämiä signaaleja, ja kudoksia hajottamalla pääsemme proteiinien tasolle.”

Oulun yliopiston vahva perinne tarkan mittaamisen saralla auttaa Weckströmiä saamaan hyviä tuloksia työssään. ”Tällainen perustutkimus hyötyy myös matemaattisesta mallintamisesta, josta löytyy vahvaa osaamista Oulusta.”

Hermostojen informaation perustutkimukselle on helppo löytää sovelluskohteita lääketieteessä, mutta myös yritysmaailmassa kiinnostusta löytyy. ”Eräs tutkijamme, tutkimusprofessori Mikko Vähäsöyrinki, on jo perustanut yrityksen, jossa valmistetaan hänen kehittämiään mittausvälineitä tutkimusryhmille ympäri maailman”, Weckström kertoo.

Kansainvälistä yhteistyötä Weckström tiimeineen on tehnyt kymmeniä vuosia. Yhteistyökumppaneita löytyy Cambridgesta Kanadan ja Ruotsin yliopistoihin.

Torakan maailma?

Vaikka ötököiden maailmaa on tutkittu hermoston kautta jo vuosikausia, ei Weckström pidä kovinkaan helppona ymmärtää, miltä vaikkapa torakan maailma näyttää. ”Jotta ymmärtäisimme hyönteisten koko havaintomaailman, meidän pitäisi ymmärtää koko ketju havaitsemisesta, muistamisesta ja tunnistamisesta lähtien. Siitä olemme vielä kaukana.”

”Silmään tuleva informaatio ei esimerkiksi ihmisellä ole se, mitä nähdään. Aistimaailma perustuu asioiden muistamiseen ja tunnistamiseen. Emme näe aallonpituuksia ja rajapintoja”, hän muistuttaa.

Ötökän aivoituksia tutkimalla päästään joka tapauksessa kiinni aivojen toiminnan perusmekanismeihin ja niitä ohjaavaan punaiseen lankaan. Lopullisena tavoitteena on ymmärtää, miten ajattelu ylipäänsä toimii.

Teksti: Juho Karjalainen
Kuvat: Juha Sarkkinen