Aivotutkimusmenetelmät

Aivotutkimusmenetelmillä on jo pitkät perinteet, mutta vasta viime vuosituhannen loppupuolen voimakas kuvantamistekniikan kehitys on siirtänyt tutkimuksen aivan uudelle tasolle. Siitä huolimatta tutkimustekniikan spatiaalinen ja temporaalinen tarkkuus on edelleen ongelma. Tätä ongelmaa on alettu kuluvan vuosituhannen alkaessa ratkomaan myös massiivisten aivosimulaatiotekniikoiden kehityksellä.
Aikaisemmin tietoa aivoista saatiin vain eläinkokeiden ja aivovauriotapausten tutkimuksella. 1970- ja 1980-lukujen taitteesta lähtien avuksi saatiin magneettikuvaus- ja aivosähkökäyrämittaukset. Sittemmin avuksi saatiin myös positroniemissiotomografia (PET), yksifotoniemissiotomografia (SPECT), tietokonekerroskuvaus eli TT-kuvaus, tietokonetomografia tai CT-kuvaus (CAT, TT, CT), magneettikuvaus (Magnetic Resonance Imaging, MRI) ja toiminnallinen magneettikuvaus (Functional Magnetic Resonance Imaging, fMRI).

Aivokuvausmenetelmät jaetaan anatomiseen kuvaukseen ja toiminnalliseen kuvaukseen. Anatominen kuvaus antaa tietoa aivojen rakenteesta, ja toiminnallinen kuvaus näyttää, miten aivot toimivat.

Kognitiivinen neurotiede syntyi kognitiivisten toimintojen ja toiminnallisen magneettikuvauksen samanaikaisten tutkimusten hyödyntämisestä, mikä mahdollisti kognitiivisten ja neurologisten toimintojen korrelaatioiden tutkimisen.

Historiaa 
Aivotutkimuksen virstanpylväitä: 
 2800 eaa: Trepanaatio eli kallonporaus on ollut käytössä.
 1700 eaa: Imhotep-niminen lääkäri on tiettävästi käyttänyt papyruksessa sanaa aivo.
 450 eaa: Alkmaion Krotonlainen totesi että aistit ja ajatukset asuvat aivoissa eikä sydämessä.
 335 eaa: Aristoteles oli sitä mieltä, että aivojen tehtävä oli jäähdyttää verta.
 300 eaa: Kreikkalainen lääkäri Herofilos totesi, että aivot hallitsevat hermostoa.
 170 Galenos havaitsi elävillä ihmisillä tekemissään kokeissa, että ihminen voi halvaantua tai mennä tunnottomaksi, kun aivoista painetaan.
 900 Al-Razi, persialainen lääkäri, kuvasi oppikirjassaan seitsemän aivohermoa ja kaikki 31 selkäydinhermoa.
 1504 Leonardo da Vinci totesi, että nesteen täyttämät aivokammiot suojelevat keskushermostoa.
 1586 Arcangelo Piccolommini kuvasi ensimmäisen kerran aivokuoren harmaan aineen ja niiden sisällä olevan valkean aineen.
 1811 Julien Jean Cesar Lecallois totesi kaniineilla tekemillään kokeilla hengityskeskuksen sijaitsevan aivorungossa aivosillan alueella.
 1823 Jean Pierre Flourens havaitsi, että aivokuoren etuosa ohjaa tahtoa ja arvostelukykyä ja pikkuaivot koordinoivat liikkeitä.
 1861 Paul Pierre Broca todisti, että aivojen kielikeskus sijaitsee vasemmassa etuotsalohkossa, tekemällä ruumiinavauksen puhekyvyn heikentämälle aivovammapotilaalle.
 1903 Ivan Pavlov keksi ehdolliset refleksit tekemillään koirakokeilla.
 1921 Otto Loewi keksi, että hermosolujen välisissä synapseissa informaatiota kuljettivat kemialliset aineet.
 1932 Elektroenkelografia, EEG keksittiin.
 1943 Warren McCulloch ja Walter Pitts esittivät ensimmäisinä teorian aivojen hermoverkostoista.
 1957 Brenda Milner ja William Scoville esittivät, että episodinen muisti ja taitomuisti ovat kaksi eri asiaa.
 1972 Godfrey Housfield ja Allan Cormack keksivät yhdessä tietokonetomografia eli viipaleröntgenkuvalaitteiston.
 1975 Aivojen aktiivisuutta luettiin PET-laitteistolla.
 1981 Erwin Neher ja Bert Sakmann kehittivät hermosolujen ionivirtaa mittaavan yksittäissolumittaustekniikan.
 1991 Seiji Ogawa ja Kenneth Kwong kehittivät aivojen hapenkulutukseen perustuvan MRI-mittaustekniikan.
 1997 Deep Blue -supertietokone voitti Gari Kasparovin shakissa.
 1998 Phil Kennedyn aivohalvauspotilaan aivoihin kiinnittämien elektrodien avulla potilas pystyi ohjaamaan tietokoneen hiiriosoitinta.
 2008 Viljellyt elävät aivosolut ohjasivat testirobottia esteiden ohi.
 2014 Halvaantunut mies liikutti aivoihin sijoitetun istutteen ja tietokoneen ohjaaman käsituen avulla kättään.
 2014 Hiiren aivojen 71 miljoonasta solusta tehtiin virtuaalinen 3D-malli.
 2015 Blue Brain -hankkeessa testataan rotan aivojen virtuaalimallia. Hanke valmistelee myös ihmisaivojen simulaatiomallin kehittämistä.

Kansainvälisiä tutkimushankkeita 
 Human Brain Project on vuonna 2013 käynnistynyt Genevestä johdettu kansainvälinen tutkimushanke, jonka tavoitteena on luoda ihmisaivojen digitaalinen kopio ennen vuotta 2023. Digitaalisissa aivoissa impulssien pitäisi kulkea täsmälleen samalla tavoin kuin oikeissa aivoissa. Hankkeen ensimmäinen tavoite on tutkia ihmisaivot niin hyvin, että ymmärretään, miten aivojen osat toimivat ja millainen niiden rakenne on.
 BRAIN Initiative on yhdysvaltalainen hanke, jossa on vuodesta 2013 kehitetty tekniikoita, joilla saadaan aivoista dynaamista kuvaa. 
 Blue Brain Project on vuodesta 2005 kehittänyt hermosolujen ja aivojen verkostojen biologisesti todenmukaisia malleja Blue Gene -tietokoneella
 The Human Connectome -projekti julkaisi vuonna 2017 aivokuoren rakenteesta ja hermoyhteyksistä kartan, joka on tehty magneettikuvaamalla viiden vuoden aikana 1 200 koehenkilön aivot (yhdysvaltalainen).
 Brain Activity Map (BAM) -projekti (yhdysvaltalainen)
 Brainnetome Atlas -projekti (kiinalainen)
 China Brain Project (kiinalainen)
 Brain/MINDS (japanilainen)

Muita kuvantamistekniikoita 
 Magnetoenkefalografia (aivomagneettikäyrä, MEG)

Katso myös 
 Elektrokardiogrammi (sydänsähkökäyrä, EKG)
 Elektromyografia (lihassähkökäyrä, EMG)
 Elektro-okulografia (EOG)

Aiheesta muualla 
 Suomen Aivotutkimusseura ry

Lähteet 

Aivot
Neurotiede
Kognitiivinen neurotiede
Neurofysiologia