NEUROTIETEEN JA FYSIIKAN ONNELLINEN LIITTO:

NÄIN SUOMI NOUSI AIVOKUVANTAMISEN MAAILMANKARTALLE

In front of a blue background, there is a plastic model of a human brain in pink, with red veins in the foreground of the image. A metal and plastic mechanical structure is visbile above this model and reaches to the top of the image. Copper wires run along the outside of the top of the structure. The base of the structure circular in shape and has rows of plastic white funnels which are above the brain model. The surface of each funnel base is divided into four equal quadrants.
Image from Low Temperature Lab Photo Archives, Aalto University

Riitta Hari: ”Meitä yhdisti päämäärä: Aivojen toiminnan ymmärtäminen”

 

Kun neurotieteilijä Riitta Hari aloitti työt TKK:n kylmälaboratoriossa, aivojen toimintaa pystyttiin mittaamaan hyvin rajallisesti. Aivotutkimus ja laitteiden kehitys alkoivat ruokkia toinen toisiaan.

Alkuvuodesta 1981 tuore lääketieteen ja kirurgian tohtori Riitta Hari sai yllättävän työtarjouksen.

Professori Olli Lounasmaan vuonna 1965 perustama TKK:n kylmälaboratorio oli maailman kärkeä ultramatalien lämpötilojen tutkimuksessa ja kuuluisa kylmyysennätyksistä, jotka hipoivat absoluuttista nollapistettä.

Nyt Lounasmaa halusi laajentaa tutkimusta ihmisaivojen toimintaan, jota hän piti alkuräjähdyksen vertaisena tieteellisenä ongelmana.

Lounasmaa pyysi Riitta Harin kylmälaboratorioon töihin. Aivotutkija sanoi tulevansa, kunhan ensin valmistuisi kliinisen neurofysiologian erikoislääkäriksi ja saisi oman rahoituksen.



”Kenenkään komenneltavaksi en halunnut lähteä”, Riitta Hari sanoo.

Tutkijoiden yrityksestä kasvoi alan markkinajohtaja

Syyskuussa 1982 Hari aloitti kylmälaboratorion ensimmäisenä neurotieteilijänä. Siellä hän sai pian johdettavakseen AIVO-ryhmän, jossa aivoja tutkittiin magnetoenkefalografia- eli MEG-menetelmällä.

MEG kertoo, milloin ja millä aivojen alueella hermosolut ovat aktiivisia. Menetelmä mittaa aivojen toiminnan synnyttämiä magneettikenttiä millisekuntien tarkkuudella. Laitteissa käytetään äärimmäisen herkkiä SQUID-antureita ja niiden kylmänä pitämiseen nestemäistä heliumia – molemmat olivat kylmälaboratorion ydinosaamista.

Riitta Hari oli jo väitöskirjassaan mitannut kuulovasteita yksikanavaisella MEG-laitteella. Sillä ei kuitenkaan saanut tietoa koko aivoista kerrallaan, mikä esti monimutkaisempien ilmiöiden ja esimerkiksi spontaanin aivotoiminnan tutkimisen.

Kylmälaboratoriossa panostettiinkin voimakkaasti monikanavaisiin MEG-laitteisiin. 4-kanavainen laite valmistui 1984, 7-kanavainen 1986 ja 24-kanavainen 1989.

”Kylmälabrassa laitekehitys ja neurotieteellinen tutkimus tapahtuivat käsi kädessä, mikä oli aivan olennaista. Kun saimme paremman laitteen, mittasimme yötä päivää. Uusilla tutkimustuloksilla perustelimme taas sitä, että laitteita pitäisi kehittää eteenpäin”, Hari sanoo.

Vuonna 1989 Lounasmaa ja Hari perustivat kolmen kollegansa kanssa yrityksen, joka nimettiin anturien mukaan – squid kun tarkoittaa suomeksi myös mustekalaa.

Mustekalasta syntynyt Neuromag-yhtiö rakensi kolme vuotta myöhemmin maailman ensimmäisen koko pään kattavan MEG-laitteen, jossa oli jo 122 kanavaa. Kolmessa vuosikymmenessä yritys on kasvanut, vaihtanut nimeä sekä omistajia ja on nykyään alansa markkinajohtaja.

Nykyään MEG:tä käytetään laajasti perustutkimuksessa sekä sairaaloissa esimerkiksi epilepsiapesäkkeiden paikantamisessa ennen leikkausta.

Neurotieteen ja fysiikan tuominen saman katon alle kannatti, vaikka sitä 80-luvulla kummasteltiin.

”Meitä yhdisti päämäärä: aivojen toiminnan ymmärtäminen. Monialaisuus on parhaimmillaan juuri yhdessä tekemistä yhteisen tavoitteen eteen”, Riitta Hari sanoo.

Teksti: Minna Hölttä

A woman in profile view facing left wears a cobalt blue EEG cap with red wires coming from circular metal eyelets on the surface. She is slightly left of centre. Her hair is not visible under the cap. The flash coming from the right illuminates the back of her head and leave her face in shadow. The red wires fall from outside her ear to behind her shoulder.
EEG cap used in brain research, Aalto Low Temperature Lab. Image Sara Urbanski, Aalto University

Kvanttioptiikka-anturit voivat mullistaa aivosignaalien lukemisen

Lauri Parkkosen tiimi rakentaa uudenlaista, päähän mukautuvaa MEG-laitetta. Se avaa uusia mahdollisuuksia muun muassa aivovammojen ja muistisairauksien diagnoosiin – ja vahvistaa Suomen asemaa alan edelläkävijänä.

2010-luvun alussa professori Lauri Parkkonen alkoi miettiä, miten ratkaista aivojen aktiivisuutta mittaavan MEG:n perusongelma.

MEG- eli magnetoenkefalografia-laitteessa käytettävät SQUID-anturit toimivat hyytävässä kylmyydessä, muutaman asteen päässä absoluuttisesta nollapisteestä. Koska lämpötilaero päähän on valtava, anturit vaativat ympärilleen tehokkaan ja tilaa vievän eristyksen. Mitä pienempi pää, sitä kauemmaksi anturit jäävät kallon pinnasta – ja sitä hankalampi tarkkoja mittauksia on suorittaa.

”Lasten ja vauvojen aivoista voidaan käytännössä mitata vain yhtä aivolohkoa kerrallaan”, Parkkonen sanoo.

Parkkonen tutustui uusiin, kvanttioptiikkaan perustuviin antureihin ja tajusi löytäneensä mahdollisen ratkaisun. Yksittäin pakatut, huoneenlämpötilassa toimivat anturit voidaan tuoda vain parin millimetrin päähän pään pinnasta, jolloin mitattava signaali on vahvempi ja tutkijoiden on myös helpompi erottaa lähekkäisten aivoalueiden aktiivisuus toisistaan.

Euroopan tutkimusneuvosto ERC myönsi hankkeelle rahoituksen, jonka turvin rakentaminen saattoi alkaa. Anturikomponentit Parkkonen ryhmineen osti Yhdysvalloista, mutta muuten kaikki anturikypärästä elektroniikkaan ja ohjelmistoihin on tehty itse. Osia on sahattu ja 3D-tulostettu niin Aallon pajoissa kuin Parkkosen autotallissa.

”Puuseppäharrastuksesta on ollut hyötyä”, Parkkonen nauraa.

Kohti sairaalaa ja potilasmittauksia

Työ on edennyt ripeästi ja lupaavin tuloksin: optisilla antureilla tehdyt mittaukset lähenevät jo tarkkuudeltaan kallon sisäpuolelta tehtäviä mittauksia.

Seuraava askel on viedä laite Otaniemen laboratoriosta Meilahden sairaalan BioMag-laboratorioon. Jos terveillä koehenkilöillä tehtävät mittaukset sujuvat hyvin, alkaa ensimmäisten potilaskokeiden suunnittelu.

MEG-kuvantamista käytetään perustutkimuksen lisäksi epilepsiakohtauksia aiheuttavien pesäkkeiden paikantamisessa sekä tärkeiden aivokuoren alueiden kartoittamisessa ennen aivoleikkauksia.

Tutkijat uskovat, että tulevaisuudessa MEG voi auttaa muun muassa Alzheimerin taudin varhaisvaiheen diagnoosissa sekä tunnistamaan toiminnallisia muutoksia aivovamman saaneiden potilaiden aivoissa.

Parkkonen on mukana myös Euroopan unionin Quantum Flagship -miljardihankkeen macQsimal-projektissa, jossa optisten antureiden ominaisuuksia hiotaan entistä paremmiksi. Projektiin osallistuu myös MEG-laitteiden markkinajohtaja, Otaniemestä maailmalle ponnistanut Megin Oy, jonka varhaisvaiheessa Parkkonen itsekin oli aktiivisesti mukana.

Parkkonen uskoo, että optisiin antureihin perustuva MEG voi olla perinteistä laitetta hieman edullisempi ja helpommin sijoitettava, koska se ei vaadi ympärilleen yhtä suurikokoista magneettikentiltä suojattua tilaa.

Teksti: Minna Hölttä