Teadvuse Suure Probleemi Lahendamine

Viimaste aastate jooksul on kognitiivse ajuteaduse üldvoolus nii mõndagi muutunud. Kui vanameister Hubeli aegadel ja veel 90ndatelgi uuriti peamiselt seda, kuidas aju keskkonnas toimuvale reageerib, siis üha enam on pööratud tähelepanu sellele, kuidas aju keskkonnas toimuvat ennustab. See temaatika on väga hästi uuritud motoorikas, kus ennustamine on liidetud meie motoorset käitumist selgitavatesse mudelitesse. (Näiteks ei saa lugeja end ise kõditada, kuna ta motoorne süsteem saadab sõrme liikumise kohta informatsiooni sensoorsetesse ajupiirkondadesse, mis seetõttu juba teavad keha puudutavaid signaale ette.) Nägemismeeles on sellistele ennustusprotsessidele võrreldavalt vähem tähelepanu pööratud, kuid viimaste aastate jooksul on temaatika üha populaarsemaks muutunud (seda kinnitab näiteks Christoph Summerfieldi hiljutine ülevaateartikkel ennustusprotsesside kohta nägemismeeles, mille võib leida ajakirja Trends in Cognitive Sciences septembrinumbrist).

Mind ennast huvitavad ennustusprotsessid väga. Seoses teadvuse teemadega võib küsida näiteks järgmist: Kuidas on see, mida me parajasti teadvustatult näeme, mõjutatud sellest, mida meie aju antud situatsiooni või stiimuli kohta ennustas? Kas me teadvustame kergemini ennustavaid sündmuseid keskkonnas kiiremini (kuna saab ajus juba eelnevalt vastavad protsessid ette valmistada)? Kas täiesti üllatavaid ja ootamatuid sündmuseid teadvustame me kuidagi intensiivsemalt? Kas me võime teadvustada midagi valesti, kui ennustusprotsessi kohaselt peaksime me nägema midagi muud kui keskkonnas tegelikult esitatud on? Kõiki neid küsimusi on võimalik eriti mõnusalt uurida inimajus tänapäevaste ajukuvamisvahenditega, sest aju ennustused tulevate sündmuste kohta peaks olema ajus esitatud juba enne seda, kui eesmärkobjekt ise ekraanile jõuab (niiöelda „baseline“ aja jooksul, nimetagem seda „eelperioodiks“). Sellise ideestiku raames saigi meil ühe kolleegiga MEG jaoks kavandatud projekt, kus mõõdaksime objektide (väär)teadvustamist sõltuvalt ennustusprotsessist ja üritaksime just eriti vaadata seda, kuidas ennustus mingi objekti kohta on kodeeritud aju magnetväljade mustrisse objekti ilmumise eelperioodi ajal. Kahjuks või õnneks see mõte eilsest ööst saati enam minu jaoks originaalne ei ole, sest sel hetkel avaldati PNASi early editionis Oxfordi ja Cambridge uurijate koostöös sündinud artikkel, mida järgnevalt tutvustangi.

Autorid kasutasid oma uuringuteks kenasti nö „mõtetelugemistehnoloogiat“ (millest on siin blogis korduvalt juttu tulnud, hiljuti siin). Lühidalt tutvustades seisneb see meetod selles, et ajus ei võrrelda mitte ühe ajupiirkonna või voksli (3D piksel) aktiivsuse erinevust erinevates tingimuses, vaid võrdlusesse kaasatakse paljude-paljude vokslite aktiivsuse üldkonfiguratsioon. Seega uuritakse ajuaktiivsuse mustreid ja rakendatakse matemaatilisi klassifikatsioonialgoritme, uurimaks ajuaktiivsuse mustrite ja erinevate tingimuste omavahelisi seoseid. (Mõtetelugemise meetod on hetkel kõige enam rakendust saanud fMRIs, kuid esimesed põnevad tulemused on juba ka EEGs, mis omakorda julgustab tehnoloogiat kasutama MEGs, mille signaal on kordades parem kui EEG oma.) Antud katses kasutati seda kavalat meetodit järgnevalt: Eelkatses näidati katseisikule korduvalt lühidalt ja õrnalt kas tähte X või tähte O, samal ajal mõõdeti ajuaktiivsust fMRI abil. Analüüsis näidati, et mõtetelugemismeetod suudab eristada, kumba tähte katseisikule esitati (tavaline fMRI analüüs seda ei suutnud). Nüüd kasutati aga X’i ja O klassifitseerimiseks saadud algoritme teise ülesande peal.

Teine ülesanne oli järgnev: katseisikule anti heli abil märku, kas järgnevas katsekorras tuleks oodata O’d või X’i; katsekord kestis 16 sekundit ja selle jooksul pidi katseisik tähelepanelikult jälgima, kas vastav eesmärkobjekt ilmub taustamüraga ekraanile või ei. Vahel eesmärkobjekt ka selle aja jooksul tõepoolest ilmus, vahel ilmusid koguni mõlemad tähed; vahel tähti ei ilmunud ja vahel ilmusid mingid muud tähed. Katseisik pidi pärast katsekorra lõppu ütlema, mitut eesmärktähte ta nägi. Selline katseparadigma võimaldaski hästi uurida protsesse, mis toimuvad stiimuli ootamise ajal, eelperioodi jooksul. Muidugi tuli jälle appi mõtetelugemismeetod – eelkatses treenitud klassifikatsioonialgoritme Xi ja O jaoks kasutati nüüd põhikatses ja uuriti just stiimuli ootamise aega ehk eelperioodi. Nii näidatigi, et eelperioodi ajal on aktiveeritud just heli poolt vihjatud tähele (kas X’i või O) vastav ajuaktiivsuse muster kõrgemates visuaalsetes ajupiirkondades. Oluline seejuures ongi see, et selle spetsiifilise ajuaktiivsuse mustri tekitas helivihje tõttu esile kutsutud ootusprotsess, kuna stiimulit ennast veel esitatud ei olnud. Lisaks suudeti kenasti demonstreerida, et kui katseisiku ajuaktiivsusmuster vastab paremini eelkatses saadud ajuvastustele, siis vastab katseisik korrektsemalt, kas X või O oli esitatud tähtede seas või mitte, seega on eelaktivatsioon käitumuslikult oluline. Kuna eesmärkobjektid olid õrnad tähed taustamüra sees, siis tähendab antud juhul korrektsem vastamine ka seda, et katseisik teadvustas eesmärktähti paremini, kui tema ajus oli eelperioodi jooksul tähele täpsemalt vastav aktiivsusmuster.

Mõni ütleb, et aju on Universumi kõige keerukam süsteem, seega ongi lausa naeruväärne arvata, et keskkonnast tulev sisendinfo määrab üheselt selle, milline on aju hetkeseisund. Kuna teadvustatud kujutis konstrueeritakse ajus, siis oleks lausa õigem öelda, et aju hetkeseisund määrab selle, millisena meid ümbritsev maailm meile teadvuses antud hetkel paistab. Seega ei ole ka imestada, et ajus toimuvad eelneval kogemusel põhinevad ennustusprotsessid, mis kujundavad meie teadvuse sisusid. Järgmiste aastate uuringud peavad näitama, kuidas hetkeline sisendinfo saab ajus seotud eelneva kogemuse poolt vormitud representatsioonidega ja kas see sidumisprotsess on või ei ole oluline teadvustamise jaoks. Kui on, siis leiavad ennustusprotsessid tähtsa koha teadvuseteaduses, sest sel juhul võimaldab õigete ajumustrite eelaktiveerimine sisendinfot kiiremini ja täpsemalt töödelda ja teadvustada.

Allikas: Stokes et al., in press, PNAS: Shape-specific preparatory activity mediates attention to targets in human visual cortex (vabalt kättesaadav kõigile)

Nagu oleme kirjeldanud, on teadvuseteaduse üks probleem see, et me EEG või fMRIga mõõtes ei tea, millised ajuprotsessid on tarvilikud teadvuse sisude on-line esitamisega (ja pole mitte selle protsessi eeldused või tagajärjed). Tegelikult on see probleem tänapäeva kognitiivses neuroteaduses väga üldine: EEG ja fMRI annavad mingis katseparadigmas mingisuguseid ajukorrelaate, kuid me ei tea, kas need protsessid ja piirkonnad on tõepoolest ülesande lahendamiseks tarvilikud või lihtsalt mingil põhjusel on ajas suhteliselt samaaegsed – nende meetoditega on hetkel võimalik leida ainult korrelatsioone.

Teaduses esitab aga korrelatsioon tunduvalt tagasihoidlikumat sidet kui kausaalsus. Kausaalsus tähendab lihtsalt öeldes, et üks sündmus tõepoolest põhjustab mingit teist sündmust. Näiteks tahaksime me ehk teadvuseteaduses näidata, et stiimuli tugevam töötlus varajastes visuaalsetes piirkondades põhjustab tugevama aktiivsuse hilistes visuaalsetes piirkondades, mis omakorda on kausaalselt seotud teadvustatud kujutise tekkimisega. Kuidas me saame seda uurida?

Üks võimalus oleks läheneda ajule ja ajukorrelaatidele moodsate mõõtudega informatsiooniteooriast (Granger causality, transfer entropy). Neid meetodeid praegu tõepoolest üha enam rakendatakse ajusignaalidele ja nende meetodite tulevik ajuteaduses tundub olevat väga helge, kuid tunnistagem ausalt – antud blogikirjutaja ise on veel nende meetodite koha pealt liiga rumal, et neid rakendada (vastavate meetodite õppimine on siiski alanud). Teine probleem on selles, et pelgalt kausaalsusmõõtudega ei saaks me siiski teha sammu teadvuse korrelaatidest teadvuse jaoks kausaalsete ajuprotsessideni, kuna nende mõõtudega pole võimalik näidata, et ajuprotsess on tarvilik teadvustamise jaoks.

Õnneks on meil veelgi võimalusi. Transkraniaalne magnetstimulatsioon pakub võimaluse katseisiku aju lühiajaliselt mõjutada. Nagu meetodi nimi viitab, tekitatakse poolis elektrivoolu abil magnetväli, mis ajule piisavalt lähedal olles mõjutab neuronite elektrilist talitust. Tänapäeva tehnoloogia abil saame seda mõjutamist teha ülitäpselt – me teame täpselt, millist ajupiirkonda me mõjutame. Veelgi parem – me saame samaaegselt mõõta ka EEGd. See kombinatsioon annab meile võimaluse a) iga isiku puhul esiteks EEG abil teadvuse korrelaadid leida (ja seda saab tänapäevase tehnoloogia ja keeruliste analüüsimeetodite abil teha nii ajas kui ka ruumis) ning b) teisel seansil üritada spetsiifiliselt neid teadvuse korrelaate TMSi abil mõjutada. Kuna me saame punktis (a) leida EEG abil spetsiifilised teadvustamise korrelaadid ajas ja ruumis ja punktis (b) neid ülitäpselt nii ajas kui ka ruumis mõjutada, siis on tegu muidugi teaduslikult väga tugeva katsega. Kui TMS-manipulatsioon viib vastavate ajukorrelaatide muutumiseni ja see muudab teadvuse sisusid, siis see oleks senini kõige tugevam tõendusmaterjal selle kohta, et vastav ajukorrelaat on seotud teadvuse ja teadvustamisega.

Tahaksid sellist katset teha? Aga palun. Professor Bachmanni laboris Tallinnas on kogu vajalik tehnoloogia olemas ja ootab katsetajaid.