Kielen kärjestä ja juurista Riitta Salmelin Miten aikuisen aivot oppivat uusia sanoja? K ielen oppimisessa on monia eri tasoja. Usein tarkoitamme kielen oppimisella vieraan kielen opiskelua, mutta itse asiassa opimme jatkuvasti uusia oman äidinkielemme sanoja asiaa sen kummemmin ajattelematta. Tämä luonnollinen oppimisprosessi jatkuu läpi elämän, vaikka usein yhdistämme äidinkielen oppimisen lapsuuteen. Kielen oppiminen voi myös olla aktiivista, kuten vieraan kielen opiskelu, tai tapahtua passiivisesti kuten äidinkielen oppiminen ja sen sanavaraston täydentyminen. Luonnollisin mutta yllättäen vähiten tutkittu oppimisprosessi on oman äidinkielen sanavaraston kasvu aikuisiässä. Aktiivinen oppimistilanne on kokeellisesti helpoin hallita, mikä on tärkeää, kun aihepiiri on vielä huonosti tunnettu. Artikkelissa pyritään käytännön esimerkein valaisemaan, miten näitä kysymyksiä voidaan tutkia aivojen tasolla magnetoenkefalografian (MEG) avulla. Ihmisaivojen toiminnallisessa kuvantamisessa etsitään aivoalueita, jotka ovat jossain koetilanteessa aktiivisempia kuin K Kuva: Wilho Ilmarin elokuvasta Seitsemän veljestä vuodelta 1939 (Suomen Filmiteollisuus SF Oy). Juhanina Edvin Laine, lukkarina Toppo Elonperä. Kuva: Suomen elokuva-arkisto. Duodecim 2007;122:2901 6 vertailutilanteessa. Aktivaation kasvu tulkitaan merkiksi siitä, että kyseinen alue osallistuu tehtävän suoritukseen. Kun suuri määrä aivosoluja aktivoituu samanaikaisesti, niiden toiminta näkyy sähkövirtana, joka kyetään havaitsemaan pään ulkopuolelta sen synnyttämän sähkö- ja magneettikentän avulla. Elektroenkefalografia (EEG) mittaa sähkökentän jakaumaa päänahkaan liimatuilla elektrodeilla. MEG taas mittaa magneettikentän jakaumaa antureilla, jotka tuodaan lähelle päätä ilman suoraa kosketusta. Molemmilla menetelmillä on erinomainen aikatarkkuus, ja MEG:llä aktiivisten alueiden paikat voidaan myös määrittää melko tarkasti. MEG onkin siksi osoittautunut tehokkaaksi menetelmäksi kielen ja sen oppimisen tutkimuksessa (Salmelin 2007). Toiminnallisella magneettikuvauksella (fmri) ja positroniemissiotomografialla (PET) taas kyetään paikantamaan aktiiviset alueet niiden tarvitseman lisäenergian perusteella, mittaamalla hapenkulutuksen ja verenvirtauksen hitaita muutoksia. Oppimisen vaikutusta aivotoimintaan on tutkittu erityisesti uusien liikesarjojen harjoittelun yhteydessä mutta myös näköja kuulotiedon yhdistämisessä ja jonkin verran kielen ja muiden kognitiivisten taitojen osalta. Tutkimuksia ei vielä ole tehty 2901
Piirreanalyysi Kohteen tunnistaminen Merkityssisällön haku Nimityksen haku Äänteiden haku Puheen tuotto K u va 1. Kuvien nimeämisprosessi. kovinkaan runsaasti, ja tulokset ovat olleet vaihtelevia. Aktivaation on raportoitu kasvavan, ja kasvun on tulkittu kuvastavan sitä, että uuden tiedon oppiminen, aivoedustuksen rakentaminen ja tiedon esiin hakeminen on työlästä ja vaatii suuremman joukon aivosoluja kuin jo hyvin hallitun tiedon käsittely. Toisaalta on havaittu myös aktivaation pienenemistä ja päätelty, että oppimisen tai harjoittelun myötä aivosolut toimivat tehokkaammin yhdessä ja tehtävän suoritukseen tarvitaan pienempi solujoukko (esim. liikesarjojen oppiminen). On myös mahdollista, että aktivaatio pysyy vakiona mutta alueiden väliset kytkennät muuttuvat; toisin sanoen oppiminen muuttaa eri aivoalueiden yhteistoimintaa vahvistaen joidenkin alueiden vuorovaikutusta ja (mahdollisesti) heikentäen joitakin yhteyksiä. Uusien esineiden tunnistaminen ja nimeäminen Kuvien nimeäminen on hyvin luonnonmukainen tehtävä, jossa ajatellaan käytävän läpi kaikki kielellisen prosessoinnin tasot piirreanalyysistä kohteen tunnistamisen ja merkityssisällön haun kautta nimityksen hakuun, edelleen äänteiden hakuun ja lopulta puheen tuottoon (kuva 1) (Levelt ym. 1998, Levelt 1999). 2902 Tuttu kohde, esimerkiksi»joutsen», nimetään vähän yli puolessa sekunnissa. MEGtutkimusten perusteella aktivaatio etenee aivoissa takaosien näköalueilta päälakilohkon alaosaan, sitten vasempaan ohimolohkoon ja edelleen otsalohkon alaosaan (kuva 2) (Salmelin ym. 1994, Levelt ym. 1998, Vihla ym. 2006). Teoreettisesti oletettujen prosessointitasojen ja aivoaktivaatioiden yhteys on toistaiseksi jonkin verran epäselvä ja siksi tärkeä tutkimuksen kohde, mutta joistakin vastaavuuksista on tehty melko luotettavia ja järkeviä päätelmiä (Indefrey ja Levelt 2004). Otsalohkon alaosien aktivaation (violetit alueet kuvassa 2) tulkitaan kuvastavan äänteiden hakua ja puheen tuottoa ja vasemman ohimolohkon aktivaatio (punainen alue kuvassa 2) taas liittynee nimityksen ja mahdollisesti myös merkityssisällön hakuun. Olemme tutkineet äidinkielen sanavaraston kasvua näyttämällä tutkittaville kuvia oikeista työvälineistä, joita ei enää nykyisin käytetä (Cornelissen ym. 2004, Hultén ym., julkaisematon tieto). Valitut työkalut liittyvät pääasiassa maanviljelyyn ja merenkulkuun. Oppimisvaiheessa kuvien kanssa näytettiin 1) vain nimitys, 2) nimitys ja lyhyt kirjoitettu kuvaus esineen käytöstä, 3) vain kuvaus esineen käytöstä tai 4) ei mitään tietoa R. Salmelin
K u va 2. Aivojen aktivaatioketju kuvien nimeämisessä. (kuva 3). Joka luokassa oli 50 erilaista esinettä. Oppimisen aikana tarkistettiin, että tutkittavat oppivat sekä esineiden nimitykset että niiden käyttötarkoituksen (merkityssisällön). Tietokoneistettuja harjoituskertoja oli yksi päivässä, ja niitä jatkettiin, kunnes tutkittava oli oppinut 98 % sanoista. Tähän kului tavallisesti 3 6 päivää. Merkitykset opittiin nopeammin kuin nimitykset. MEG-tutkimus tehtiin Häkilä Välineellä puhdistettiin pellavaa ja hamppua Välineellä kannettiin lyhteitä Krana K u v a 3. Esimerkkejä oppimiskokeessa käytetyistä ärsykkeistä. Tutkittavat näkivät vanhojen työkalujen kuvia ja samalla he saivat tietää esineen nimen, sen käyttötarkoituksen tai molemmat tai heille ei annettu mitään lisätietoa. Miten aikuisen aivot oppivat uusia sanoja? 2903
ennen oppimisjaksoa ja sen jälkeen. Tutkittavat nimesivät esineet (tai sanoivat»esine», jos eivät tienneet nimitystä). Sarjoihin oli vertailua varten lisätty mukaan myös 50 tutun työkalun kuvat. Tutkimme, miten tieto uusista nimistä tai merkityksistä tai tiedon puute näkyvät aivojen aktivaatioketjussa. Uudet esineet, joihin ei oppimisvaiheessa yhdistetty mitään uutta tietoa, ja tutut esineet toimivat vertailtavina ärsykkeinä. Tutut esineet synnyttivät aivan samanlaisen aktivaatioketjun sekä ennen että jälkeen oppimisjakson ja samoin myös uudet esineet, joihin ei liitetty mitään tietoa. Nämä vertailut ovat oleellisen tärkeitä taustatestejä sille, että voimme tulkita muiden ärsyketyyppien yhteydessä mahdollisesti havaittavat muutokset nimenomaan oppimiseen liittyviksi. Tuttujen esineiden, jotka voitiin nimetä, havaittiin aiheuttavan voimakkaamman aktivaation otsalohkon alaosassa ja vasemmassa ohimolohkossa kuin uusien esineiden, joiden nimitystä ei tiedetty. Tämä sopii hyvin tulkintaan, että nämä alueet ovat mukana nimityksen ja äänteiden haussa ja puheen tuotossa. Uuden tiedon oppiminen näkyi aivoaktivaation voimakkuuden muutoksena samassa verkossa, joka aktivoitui tuttujen esineiden nimeämisessä. Mitään uusia aivoalueita ei tullut mukaan. Kun uusien esineiden nimitykset oli opittu, aktivaatio voimistui huomattavasti vasemmassa ohimolohkossa ja otsalohkon alaosassa alkaen noin 0,2 sekuntia kuvan esittämisen jälkeen. Pelkän merkityksen oppimisella ei sitä vastoin ollut mitään vaikutusta. Miten nimitykset ja merkitykset edustuvat aivoissa? 2904 Mikä sitten on vasemman ohimolohkon ja otsalohkon alaosan toiminnallinen rooli? Luokittelutehtävillä voidaan pyrkiä painottamaan jotakin prosessin vaihetta. Jos aivoissa silloin havaitaan jonkin aktivaation erityistä voimistumista, sen voidaan ajatella kuvastavan tuota nimenomaista prosessin vaihetta. Sanojen merkityksen ja äänneasun aivoedustusta tutkittiin tällä periaatteella kahdessa kokeessa. Ensimmäisessä kokeessa tutkittavat luokittelivat tuttujen esineiden ja olentojen kuvia erilaisilla perusteilla: 1) alkaako kohteen nimi vokaalilla, mikä pakottaa hakemaan äänneasun, 2) onko kohde elollinen, mikä pakottaa arvioimaan sen merkityssisältöä ja, 3) onko kohteen yli vedetty poikkiviiva, jolloin arvion voi perustaa pelkkään piirreanalyysiin (Vihla ym. 2006). Aktivaatiot erosivat jälleen vasemmassa ohimolohkossa ja otsalohkon alaosassa 0,2 sekunnista eteenpäin. Aktivaatio oli erityisen voimakas, kun arvioitiin äänneasua. Tämä korostaa näiden alueiden roolia kohteen nimityksen ja äänneketjun haussa ja on sopusoinnussa aiempien päätelmien ja oppimistulosten kanssa. Toinen koe tehtiin edellä kuvatun oppimiskokeen yhteydessä harjoittelujakson jälkeen (Hultén ym., julkaisematon tieto). Luokittelutehtäviä vaikeutettiin, jotta mahdolliset aivoaktivaation muutokset saataisiin selvästi esiin. Nyt tehtävänä oli tunnistaa, 1) alkaako esineen nimi tietyllä konsonantilla (r) ja 2) liittyykö esine kalastukseen. Jälleen äänneasun analyysi vaikutti eniten aktivaatioon, tässä kokeessa ainoastaan ohimolohkossa. Tulokset korostavat vasemman ohimolohkon roolia sanan äänneasun analyysissä ja tukevat tulkintaa, jonka mukaan otsalohkon alaosan aktivaatio kuvastaa erityisesti äänteiden hakua puheen tuottoa varten (Indefrey ja Levelt 2004). Tuttujen esineiden luokittelussa ketju etenee automaattisesti nimityksen hakuun ja mahdolliseen tuottoon asti. Äskettäin opittu- R. Salmelin
jen sanojen tuotto ei todennäköisesti ole yhtä automatisoitunutta, ja otsalohkon vaikutus aktivaatioon siis huomattavasti vähäisempää. Esineen käyttötarkoituksen (merkityksen) oppiminen tai tämän tiedon puuttuminen ei suoraan vaikuttanut aivoaktivaatioon. On todennäköistä, että merkitystä haetaan aina automaattisesti jollain tasolla, jolloin aivoaktivaatioissa ei havaita eroja (Laine ja Martin 2006). On myös olemassa kiinnostava mahdollisuus, että niiden merkityksen edustus aivoissa on luonteeltaan erilainen kuin nimitysten. Merkityksen haku ja käsittely saattavat olla aivojen tasolla ajallisesti ja paikallisesti hajautuneempia kuin nimitysten, jolloin mahdollisia eroja olisi vaikea havaita nykyisillä analyysimenetelmillä. Merkityksen oppiminen saattaa kuitenkin vaikuttaa välillisesti tapaan, jolla aivot hakevat esineiden nimityksiä (kuva 4). Kun oppimistilanteessa oli opittava sekä esineiden nimitykset että käyttötarkoitus ja molempien oppimista testattiin, nimeämistehtävässä nähtiin aivoaktivaation muutoksia otsalohkojen alaosassa ja vasemmassa ohimolohkossa (Hultén ym., julkaisematon tieto). Mutta kun samanlaisessa oppimistehtävässä testattiin vain nimitysten oppimista, oppimisen vaikutus aivojen tasolla näkyikin näiden alueiden sijaan vasemman päälakilohkon alaosassa (Cornelissen ym. 2003, 2004). Mahdollinen tulkinta on se, että kun merkityksen oppimista ei testattu, nimitys haettiin suoraan kuvan ja sanan yhteyden kautta ilman merkityssisällön hakua tai analyysiä. Kun taas merkityksen oppimista testattiin, koko oppimistilanne muuttui ja nimitykset pyrittiinkin aina hakemaan merkityksen sanallisen edustuksen kautta riippumatta siitä, oliko sellaista tietoa annettu vai ei. Oppimistilanteen vaikutus on tärkeä kysymys jatkotutkimuksia ajatellen. Sanojen uudelleen oppiminen aivojen vaurioitumisen jälkeen Kun aivovamma synnyttää kielellisen häiriön eli afasian, sanat voi joutua opettelemaan uudestaan. Kuntoutusmenetelmien kirjo on laaja, eikä niiden hermostollista mekanismia tunneta hyvin. Kuvien ja sanojen suoraviivaista yhdistämistä käytettiin tutkimuksessa, jossa kolme afasiapotilasta opetteli sanoja uudelleen (Cornelissen ym. 2003). Kaikilla tutkittavilla oli laaja vaurio vasemmassa aivopuoliskossa ja suuria vaikeuksia nimitysten haussa. Kullekin tutkittavalle koottiin yksilöllisesti valikoima esineiden kuvia, joita heidän oli helppo tai vaikea nimetä. Vaurioiden seurauksena aivotoiminta on usein varsin vaihtelevaa. MEG-mittauksia Opittava sekä esineiden nimitys että niiden käyttötarkoitus; molemmat testattiin K u va 4. Kaksi oppimistilannetta. Valkoiset ellipsit osoittavat alueita, joiden aktivaatio nimeämistehtävässä muuttui oppimisen vaikutuksesta. Annettu sekä esineiden nimitys että niiden käyttötarkoitus; vain nimitykset testattiin Miten aikuisen aivot oppivat uusia sanoja? 2905
tehtiin kaksi sekä ennen harjoitusjaksoa ja sen jälkeen, jotta saatiin arvio vaihtelun perustasosta ja siten luotettavat kriteerit mahdollisille oppimisen vaikutuksille aivotoiminnassa. MEG-tutkimuksessa potilaat nimesivät esineet tai yrittivät nimetä ne. Harjoituksen vaikutusta arvioitiin vielä viiden ja kymmenen kuukauden kuluttua käyttäytymistason testillä. Oletuksena oli, että näillä afasiapotilailla kytkennät merkitystason sisällä olivat heikkoja ja siksi syöttö nimityksen haun tasolle ei ollut riittävän yhtenäinen puheen tuottamiseen. Contextual priming menetelmässä (Laine ja Martin 1996) kuvat näytetään ryhminä, joissa on mukana muita merkitykseltään samankaltaisia kohteita, kuten lehmä muiden kotieläinten kanssa. Kun nimeämistä harjoitellaan tällaisista matriiseista, sen oletetaan vahvistavan merkitystason sisäisiä kytkentöjä. Harjoitusjakson jälkeen yksittäisten kohteiden nimeämisen pitäisi olla helpompaa vahvistuneen merkitysten verkon avulla. Käyttäytymisen tasolla helppojen nimien hakeminen pysyi yhtä helppona koko seurantajakson ajan. Vaikeat nimitykset, joita ei harjoitettu, pysyivät yhtä vaikeina. Kahdella afasiapotilaalla vaikeiden nimitysten tuottaminen parani merkitsevästi harjoituksen myötä ja pysyi lähtötilanteeseen verrattuna parempana seurantajakson loppuun asti. Aivojen tasolla nimeämisen paraneminen näkyi aktivaation voimistumisena vasemman päälakilohkon alaosassa noin 0,3 sekuntia kuvan esittämisen jälkeen siten, että aktivaatio alkoi muistuttaa helppojen kuvien synnyttämää vastetta. Yhdellä tutkittavalla henkilöllä harjoitusmenetelmä ei toiminut yhtä hyvin ja käyttäytymistasolla näkyi vain pieni, ohimenevä parannus. Aivojen tasolla reagoi sama alue kuin muillakin mutta päinvastoin: alun perin havaittiin vähäistä aktivaatiota, joka sekin vaimeni harjoituksen myötä. Ilmeisesti kuvan ja sanan yhteys saatiin siis toimimaan kahdella tutkittavalla mutta kolmannella ei. Lopuksi Aivojen toiminnallinen kuvantaminen on yksi työväline, jonka avulla pyritään ymmärtämään kielen oppimisen mekanismeja. Teoreettiset mallit, esimerkiksi kuvan nimeämisen eri vaiheet, toimivat hyvänä pohjana. Aivotutkimus voi toisaalta synnyttää uusia kysymyksiä, kuten kysymyksen äänneasun ja merkityksen mahdollisesta erilaisuudesta aivoedustuksen ja myös prosessien tasolla. Aivojen kuvantaminen voi myös tarjota hyödyllisen mittarin, jolla voidaan seurata ja arvioida kielen uudelleen oppimista vaurion jälkeen. Kirjallisuutta Cornelissen K, Laine M, Tarkiainen A, Järvensivu T, Martin N, Salmelin R. Adult brain plasticity elicited by anomia treatment. J Cogn Neurosci 2003;15:444 61. Cornelissen K, Laine M, Renvall K, Saarinen T, Martin N, Salmelin R. Learning new names for new objects: cortical effects as measured by magnetoencephalography. Brain Lang 2004;89:617 22. Indefrey P, Levelt WJM. The spatial and temporal signatures of word production components. Cognition 2004;92:101 44. Laine M, Martin N. Lexical retrieval deficit in picture naming: implications for word production models. Brain Lang 1996;53:283 314. Laine M, Martin A. Anomia: theoretical and clinical aspects. Hove: Psychology Press, 2006. Levelt WJ, Praamstra P, Meyer AS, Helenius P, Salmelin R. An MEG study of picture naming. J Cogn Neurosci 1998;10:553 67. Levelt WJM. Models of word production. Trends Cogn Sci 1999;3:223 32. Salmelin R, Hari R, Lounasmaa OV, Sams M. Dynamics of brain activation during picture naming. Nature 1994;368:463 5. Salmelin R. Clinical neurophysiology of language: the MEG approach. Clin Neurophysiol 2007;118:237 54. Vihla M, Laine M, Salmelin R. Cortical dynamics of visual/semantic vs. phonological analysis in picture confrontation. Neuroimage 2006;33:732 8. Riitta Salmelin, akatemiaprofessori riitta@neuro.hut.fi Teknillinen korkeakoulu, kylmälaboratorion aivotutkimusyksikkö PL 2200, 02015 TKK 2906