Alai

Aivot kahden ensimmäisen vuoden aikana

Joitakin dramaattisimpia fyysisiä muutoksia tapahtuu aivojen kehityksen kahden ensimmäisen vuoden aikana. Meillä on syntyessämme suurin osa aivosoluista, joita meillä koskaan tulee olemaan; eli noin 85 miljardia neuronia, joiden tehtävänä on tallentaa ja välittää tietoa (Huttenlocher & Dabholkar, 1997). Vaikka suurin osa aivojen neuroneista on olemassa jo syntymähetkellä, ne eivät ole täysin kypsiä.

Kuvio 3.4.1. Aivojen hermosolut. Tutkimukset osoittavat, että jo 4-6 kuukauden ikäiset imeväisikäiset käyttävät samankaltaisia aivojen alueita kuin aikuisetkin tiedonkäsittelyyn. Kuva lähteestä Deen ym. 2017.

Keskushermostossa (CNS), joka koostuu aivoista ja selkäytimestä, tapahtuva viestintä alkaa hermosoluista, joita kutsutaan neuroneiksi. Neuronit ovat yhteydessä toisiin neuroneihin aksoneiksi ja dendriiteiksi kutsuttujen hermosäikeiden verkostojen välityksellä. Jokaisella hermosolulla on tyypillisesti yksi aksoni ja lukuisia dendriittejä, jotka ovat levittäytyneet kuin puun oksat (jotkut sanovat, että se näyttää kädeltä, jolla on sormet). Kunkin neuronin aksoni ulottuu kohti muiden neuronien dendriittejä risteyskohdissa, joita kutsutaan synapseiksi ja jotka ovat kriittisiä viestintäyhteyksiä aivoissa. Aksonit ja dendriitit eivät kosketa toisiaan, vaan sähköiset impulssit aksoneissa aiheuttavat välittäjäaineiksi kutsuttujen kemikaalien vapautumisen, jotka kuljettavat tietoa lähettävän neuronin aksonilta vastaanottavan neuronin dendriiteille.

Kuvio 3.4.2. Synapsit. Neuroni.

Synaptogeneesi ja synaptinen karsiminen

Vaikka suurin osa aivojen 100-200 miljardista neuronista on olemassa syntyessään, ne eivät ole täysin kypsiä. Kukin hermorata muodostaa tuhansia uusia yhteyksiä imeväis- ja pikkulapsuuden aikana. Synaptogeneesi eli hermosolujen välisten yhteyksien muodostuminen jatkuu synnytystä edeltävästä ajasta lähtien muodostaen tuhansia uusia yhteyksiä imeväis- ja pikkulapsiuden aikana. Seuraavien vuosien aikana dendriitit eli neuronien väliset yhteydet kokevat ohimenevän yltäkylläisyyden tai tilapäisen dramaattisen kasvun (yltäkylläisyys johtuu siitä, että kasvu on niin nopeaa, ja ohimenevyys siitä, että osa siitä on tilapäistä). Dendriitit lisääntyvät näiden ensimmäisten vuosien aikana niin voimakkaasti, että kahden vuoden iässä yhdellä neuronilla voi olla tuhansia dendriittejä.

Tämän dramaattisen lisääntymisen jälkeen ne hermoradat, joita ei käytetä, poistuvat synaptiseksi karsimiseksi kutsutun prosessin kautta, jossa hermoyhteyksiä vähennetään, jolloin ne hermoyhteydet, joita käytetään, vahvistuvat huomattavasti. On ajateltu, että karsiminen saa aivot toimimaan tehokkaammin, mikä mahdollistaa monimutkaisempien taitojen hallinnan (Hutchinson, 2011). Kokemus muokkaa sitä, mitkä näistä yhteyksistä säilyvät ja mitkä häviävät. Lopulta noin 40 prosenttia näistä yhteyksistä menetetään (Webb, Monk ja Nelson, 2001). Ohimenevää pursuamista tapahtuu ensimmäisten elinvuosien aikana, ja karsiminen jatkuu läpi lapsuuden ja murrosikään asti aivojen eri alueilla. Tämä toiminta tapahtuu pääasiassa aivokuorella eli aivojen ohuella ulkokuorella, joka osallistuu tahdonalaiseen toimintaan ja ajatteluun.

Video 3.4.1. Miten vauvan aivot kehittyvät selittää joitakin ensimmäisten elinvuosien aikana odotettavissa olevia aivomuutoksia.

Myeliiniytyminen

Toinen merkittävä keskushermostossa tapahtuva muutos on myeliinin kehittyminen, joka on hermosolun aksonin ympärillä oleva rasvakudoksen muodostama päällyste (Carlson, 2014). myeliini auttaa eristämään hermosolun ja nopeuttamaan impulssien siirtymistä solulta toiselle. Tämä lisäys tehostaa hermoratojen rakentumista ja parantaa liikkeiden ja ajatusprosessien koordinointia ja hallintaa. Imeväisiässä myelinisaatio etenee nopeasti, ja yhä useammat aksonit saavat myeliinitupet. Tämä vastaa kognitiivisten ja motoristen taitojen kehittymistä, mukaan lukien kielen ymmärtäminen, puheen omaksuminen, aistien käsittely, ryömiminen ja kävely. Aivojen motoristen alueiden myelinisaatio varhais- ja keskilapsuudessa johtaa hieno- ja karkeamotoristen taitojen huomattavaan paranemiseen. Myelinisaatio jatkuu nuoruusiässä ja varhaisaikuisuudessa, ja vaikka myeliinitupet ovat suurelta osin valmiit tuolloin, niitä voidaan lisätä harmaan aineen alueilla, kuten aivokuorella, koko elämän ajan.

Aivojen rakenteet

Syntyessään aivot ovat noin 25 prosenttia aikuispainostaan, ja kahden vuoden ikään mennessä ne ovat 75 prosenttia aikuispainostaan. Suurin osa hermotoiminnasta tapahtuu aivokuoressa eli aivojen ohuessa ulkokuoressa, joka osallistuu tahdonalaiseen toimintaan ja ajatteluun. Aivokuori on jaettu kahteen aivopuoliskoon, ja kumpikin aivopuolisko on jaettu neljään lohkoon, jotka on erotettu toisistaan halkeamiksi kutsutuilla poimuilla. Jos tarkastelemme aivokuorta aivojen etuosasta alkaen ja ylhäältä alaspäin, näemme ensin otsalohkon (otsan takana), joka vastaa pääasiassa ajattelusta, suunnittelusta, muistista ja arvostelukyvystä. Otsalohkon jälkeen seuraa päälaenlohko, joka ulottuu kallon keskeltä kallon takaosaan ja joka vastaa pääasiassa kosketustiedon käsittelystä. Seuraavana on takaraivolohko, joka sijaitsee aivan kallon takaosassa ja käsittelee visuaalista tietoa. Lopuksi takaraivolohkon edessä, korvien välissä, on ohimolohko, joka vastaa kuulemisesta ja kielestä.

Kuva 3.4.3. Aivojen lohkot.

Vaikka aivot kasvavat vauvaiässä nopeasti, tietyt aivoalueet eivät kypsy yhtä nopeasti. Primaariset motoriset alueet kehittyvät aikaisemmin kuin primaariset sensoriset alueet, ja otsan takana sijaitseva prefrontaalinen aivokuori on vähiten kehittynyt. Kun prefrontaalinen aivokuori kypsyy, lapsi pystyy yhä paremmin säätelemään tai hallitsemaan tunteita, suunnittelemaan toimintaa, laatimaan strategioita ja käyttämään parempaa harkintakykyä. Tämä kypsyminen ei täysin tapahdu imeväis- ja pikkulapsuudessa, vaan se jatkuu koko lapsuuden, nuoruuden ja aikuisuuden ajan.

Lateralisoituminen

Lateralisoituminen on prosessi, jossa eri toiminnot paikallistuvat ensisijaisesti toiselle puolelle aivoja. Esimerkiksi useimmilla aikuisilla vasen aivopuolisko on aktiivisempi kuin oikea kielen tuottamisen aikana, kun taas visuospatiaalisia kykyjä sisältävissä tehtävissä havaitaan päinvastainen kuvio (Springer & Deutsch, 1993). Tämä prosessi kehittyy ajan myötä, mutta rakenteellisia epäsymmetrioita aivopuoliskojen välillä on raportoitu jopa sikiöillä (Chi, Dooling, & Gilles, 1997; Kasprian ym., 2011) ja pikkulapsilla (Dubois ym., 2009).

Neuroplastisuus

Viimeiseksi neuroplastisuudella viitataan aivojen kykyyn muuttua sekä fysikaalisesti että kemiallisesti parantaakseen sopeutumiskykyään ympäristön muutoksiin ja kompensoidakseen vammoja. Neuroplastisuuden avulla voimme oppia ja muistaa uusia asioita ja sopeutua uusiin kokemuksiin. Sekä ympäristökokemukset, kuten ärsykkeet, että ihmisen kehon sisäiset tapahtumat, kuten hormonit ja geenit, vaikuttavat aivojen plastisuuteen. Samoin vaikuttaa myös ikä. Aivomme ovat ”muovautuvimmat”, kun olemme pieniä lapsia, sillä juuri tuona aikana opimme eniten ympäristöstämme. Aikuisten aivot osoittavat neuroplastisuutta, mutta ne vaikuttavat hitaammin ja vähemmän laajasti kuin lasten aivot (Kolb & Whishaw, 2011).

Video 3.4.2. Pitkäaikainen potentiaatio ja synaptinen plastisuus selittää, miten oppiminen tapahtuu synaptisten yhteyksien ja plastisuuden kautta.

Joidenkin erityisten ruumiillisten toimintojen, kuten liikkeen, näön ja kuulon, hallinta tapahtuu tietyillä aivokuoren alueilla. Jos nämä alueet vaurioituvat, yksilö todennäköisesti menettää kyvyn suorittaa vastaavaa toimintoa. Jos esimerkiksi pikkulapsi vaurioituu ohimolohkon kasvontunnistusalueilla, hän ei todennäköisesti koskaan pysty tunnistamaan kasvoja (Farah, Rabinowitz, Quinn, & Liu, 2000). Toisaalta aivot eivät jakaudu täysin jäykästi. Aivojen neuroneilla on huomattava kyky järjestäytyä uudelleen ja laajentaa itseään suorittamaan tiettyjä toimintoja vastauksena elimistön tarpeisiin ja korjaamaan vaurioita. Tämän seurauksena aivot luovat jatkuvasti uusia hermoviestintäreittejä ja kytkevät uudelleen olemassa olevia.

Aivojen kypsyminen lapsuudessa

Aivot ovat noin 75 prosenttia aikuispainostaan kolmen vuoden iässä. Kuuden vuoden iässä ne ovat 95 prosenttia aikuispainostaan (Lenroot & Giedd, 2006). Myelinaatio ja dendriittien kehittyminen jatkuvat aivokuoressa, ja sen myötä näemme vastaavan muutoksen siinä, mihin lapsi pystyy. Suurempi kehitys prefrontaalisella aivokuorella, otsan takana olevalla aivojen alueella, joka auttaa meitä ajattelemaan, laatimaan strategioita ja hallitsemaan tarkkaavaisuutta ja tunteita, mahdollistaa yhä paremmin tunteenpurkausten estämisen ja pelien ymmärtämisen.

Kuvio 3.4.4. Aivojen kehittyminen. Corpus Callosum.

Aivopuoliskojen ja Corpus Callosumin kasvu

Kolmen ja kuuden ikävuoden välillä aivojen vasen aivopuolisko kasvaa voimakkaasti. Tämä puoli aivoista tai aivopuolisko osallistuu tyypillisesti kielellisiin taitoihin. Oikea aivopuolisko jatkaa kasvuaan koko varhaislapsuuden ajan ja osallistuu avaruudellisia taitoja vaativiin tehtäviin, kuten muotojen ja kuvioiden tunnistamiseen. Corpus callosum, tiheä kuitukaistale, joka yhdistää kaksi aivopuoliskoa, sisältää noin 200 miljoonaa hermokuitua, jotka yhdistävät aivopuoliskot toisiinsa (Kolb & Whishaw, 2011).

Corpus callosum sijaitsee pari senttiä pituussuuntaisen halkeaman alapuolella, joka kulkee aivojen pituussuuntaisesti ja erottaa kaksi aivopuoliskoa toisistaan (Garrett, 2015). Koska molemmat aivopuoliskot suorittavat eri toimintoja, ne kommunikoivat keskenään ja yhdistävät toimintansa corpus callosumin kautta. Lisäksi, koska saapuva informaatio ohjataan toiselle aivopuoliskolle, esimerkiksi vasemman silmän visuaalinen informaatio ohjataan oikealle aivopuoliskolle, corpus callosum jakaa tämän informaation toisen aivopuoliskon kanssa.

Corpus callosum käy läpi kasvupyrähdyksen 3-6 vuoden iässä, ja tämä johtaa parempaan koordinaatioon oikean ja vasemman aivopuoliskon tehtävien välillä. Esimerkiksi muihin yksilöihin verrattuna alle 6-vuotiaat lapset osoittavat vaikeuksia Etch A Sketch -lelun koordinoinnissa, koska heidän corpus callosuminsa ei ole kehittynyt tarpeeksi integroimaan molempien käsien liikkeitä (Kalat, 2016).

Aivojen kehitys nuoruusiässä

Ihmisen aivot eivät ole täysin kehittyneet siihen mennessä, kun ihminen saavuttaa murrosiän. Aivoissa tapahtuu 10-25 ikävuoden välillä muutoksia, joilla on merkittäviä vaikutuksia käyttäytymiseen. Aivot saavuttavat 90 % aikuiskoostaan kuuden tai seitsemän vuoden ikään mennessä. Aivot eivät siis juurikaan kasva nuoruusiässä. Aivojen rypyt jatkavat kuitenkin monimutkaistumistaan aina teini-iän loppupuolelle asti. Merkittävimmät muutokset aivojen poimuissa tänä aikana tapahtuvat aivokuoren niissä osissa, jotka käsittelevät kognitiivista ja emotionaalista tietoa. Aivojen muutokset vaikuttavat suoraan käyttäytymisen ja henkisen prosessin muutoksiin. Keskustelemme joistakin näistä asioista.

Kuva 3.4.5. Aivot saavuttavat suurimman kokonsa varhaisnuoruusvuosina, mutta jatkavat kypsymistään pitkälle parikymppiseksi.

Aivojen muutokset

Puberteettiin asti aivosolut jatkavat kukoistustaan otsalohkon alueella. Joitakin kehityksen kannalta merkittävimpiä muutoksia aivoissa tapahtuu prefrontaalisella aivokuorella, joka osallistuu päätöksentekoon ja kognitiiviseen kontrolliin sekä muihin korkeampiin kognitiivisiin toimintoihin. Nuoruusiän aikana myelinisaatio ja synaptinen karsiminen prefrontaalisella aivokuorella lisääntyvät, mikä parantaa tiedonkäsittelyn tehokkuutta, ja hermoyhteydet prefrontaalisen aivokuoren ja muiden aivoalueiden välillä vahvistuvat. Tämä kasvu vie kuitenkin aikaa, ja kasvu on epätasaista.

Limbinen järjestelmä

Limbinen järjestelmä kehittyy vuosia ennen prefrontaalista aivokuorta. Limbisen järjestelmän kehityksellä on olennainen merkitys palkkioiden ja rangaistusten määrittämisessä sekä tunnekokemusten ja sosiaalisen tiedon käsittelyssä. Pubertaalihormonit kohdistuvat suoraan amygdalaan, ja voimakkaat tuntemukset muuttuvat pakottaviksi (Romeo, 2013). Aivoskannaukset vahvistavat, että fMRI-tutkimusten paljastama kognitiivinen kontrolli kehittyy täysin vasta aikuisuudessa, koska prefrontaalisen aivokuoren yhteydet ja sitoutuminen ovat rajalliset (Hartley & Somerville, 2015). Muistutetaan, että tämä alue vastaa arvostelukyvystä, impulssikontrollista ja suunnittelusta, ja se kypsyy vielä varhaisaikuisuudessa (Casey, Tottenham, Liston, & Durston, & Durston, 2005).

Kuva 3.4.6. Limbinen järjestelmä.

Lisäksi muutokset sekä dopamiinin että serotoniinin välittäjäaineiden tasoissa limbisessä järjestelmässä tekevät nuorista emotionaalisempia ja herkempiä palkkioille ja stressille. Dopamiini on aivojen välittäjäaine, joka liittyy mielihyvään ja ympäristöön sopeutumiseen päätöksenteon aikana. Murrosiässä limbisen järjestelmän dopamiinitasot nousevat, ja dopamiinin syöttö prefrontaaliseen aivokuoreen lisääntyy. Lisääntyneellä dopamiinitoiminnalla murrosiässä voi olla vaikutuksia murrosikäisten riskinottoon ja alttiuteen ikävystyä. Serotoniini osallistuu mielialan ja käyttäytymisen säätelyyn. Se vaikuttaa aivoissa eri tavoin. ”Rauhoittavana kemikaalina” tunnettu serotoniini lievittää jännitystä ja stressiä. Serotoniini myös jarruttaa jännitystä ja joskus holtittomuutta, jota dopamiini voi aiheuttaa. Jos aivojen serotoniinin käsittelyssä on vikaa, seurauksena voi olla impulsiivinen tai väkivaltainen käyttäytyminen.

Prefrontaalinen aivokuori

Prefrontaalista aivokuorta, otsalohkojen osaa, joka sijaitsee heti otsan takana, kutsutaan usein ”aivojen toimitusjohtajaksi”, kognitiiviseksi ohjauskeskukseksi. Tämä aivoalue vastaa kognitiivisesta analyysistä, abstraktista ajattelusta, ”oikean” käyttäytymisen kohtuullistamisesta sosiaalisissa tilanteissa, kyvystä käyttää hyvää arvostelukykyä, itsesäätelystä ja tulevaisuuteen suuntautumisesta. Prefrontaalinen aivokuori ottaa vastaan tietoa kaikista aisteista ja orkestroi ajatuksia ja toimia tiettyjen tavoitteiden saavuttamiseksi (Casey, Jones, & Hare, 2008; Walsh, 2004). Noin 11 vuoden iässä tämä aivojen alue aloittaa pitkittyneen karsimis- ja myelinisaatioprosessin, ja se on valmis vasta lähellä 25 vuoden ikää. Tämä aivojen alue on yksi viimeisistä, joka saavuttaa kypsyyden. Tämä viive saattaa auttaa selittämään, miksi jotkut nuoret käyttäytyvät niin kuin käyttäytyvät. Ihmisen prefrontaalisen aivokuoren niin sanottuihin ”toimeenpaneviin toimintoihin” kuuluvat:

• Huomion keskittäminen
• Ajatusten järjestäminen ja ongelmanratkaisu
• Käyttäytymisen mahdollisten seurausten ennakoiminen ja punnitseminen
• Tulevaisuuden pohtiminen ja ennusteiden tekeminen
• Strategioiden muodostaminen ja suunnittelu
• Tasapainottaminen lyhyen-lyhyen aikavälin palkintoja ja pitkän aikavälin tavoitteita
• Käyttäytymisen muuttaminen/sovittaminen tilanteiden muuttuessa
• Impulssinhallinta ja tyydytyksen lykkääminen
• Intensiivisten tunteiden sääteleminen
• Estäen sopimattoman käyttäytymisen estäminen ja sopivan käyttäytymisen aloittaminen
• Monien tietovirtojen samanaikainen huomioon ottaminen monimutkaisen ja haastavan tiedon edessä

Kuva 3.4.7. Aivojen kehitys jatkuu parikymppisenä. Erityisesti otsalohkon kehittyminen on tärkeää tässä vaiheessa.

Lmbisen järjestelmän ja prefrontaalisen aivokuoren kehittymisen erilainen ajoitus vaikuttaa osaltaan siihen, että nuoruusiässä otetaan enemmän riskejä. Koska nuoret ovat motivoituneita etsimään jännitystä, joka joskus tulee riskikäyttäytymisestä, he osallistuvat todennäköisemmin holtittomaan ajamiseen, tupakointiin tai juomiseen, eivätkä he ole vielä kehittäneet kognitiivista kontrollia vastustamaan impulsseja tai keskittymään tasapuolisesti mahdollisiin riskeihin (Steinberg, 2008). Yksi maailman johtavista nuorten kehityksen asiantuntijoista, Laurence Steinberg, vertaa tätä voimakkaan moottorin käynnistämiseen ennen kuin jarrujärjestelmä on käytössä. Seurauksena on, että nuoret ovat alttiimpia riskikäyttäytymiselle kuin lapset tai aikuiset.

Aivojen alueiden integroituminen

Aivojen magneettikuvaustutkimukset osoittavat, että kehitysprosesseilla on taipumus tapahtua aivoissa selkä menosuuntaan, mikä selittää, miksi prefrontaalinen aivokuori kehittyy viimeisenä. Näissä tutkimuksissa on myös havaittu, että teini-ikäisillä on aikuisiin verrattuna vähemmän valkeaa ainetta (myeliiniä) aivojensa otsalohkoissa, mutta tämä määrä kasvaa teini-ikäisen ikääntyessä. Kun myeliiniä on enemmän, aivojen tärkeät yhteydet kasvavat, mikä mahdollistaa paremman tiedonkulun aivojen alueiden välillä. Magneettikuvaustutkimukset ovat myös osoittaneet, että nuoruusiässä valkean aineen määrä kasvaa aivokurkiaisessa (corpus callosum), joka on aivojen oikean ja vasemman aivopuoliskon yhdistävä hermosäikeiden kimppu. Tämä kehitys mahdollistaa paremman kommunikaation aivopuoliskojen välillä, mikä mahdollistaa kaikkien analyyttisten ja luovien strategioiden käyttämisen vastattaessa monimutkaisiin dilemmoihin, joita nuoren elämässä voi esiintyä (Giedd, 2004).

Yhteenvetona voidaan todeta, että nuoruusvuodet ovat syvällisten aivomuutosten aikaa. Mielenkiintoista on, että kaksi ensisijaista aivotoimintaa kehittyy eri tahtiin. Aivotutkimukset osoittavat, että aivojen osa, joka havaitsee riskistä saatavia palkkioita, eli limbinen järjestelmä, käynnistyy kovalla vauhdilla varhaisnuoruudessa. Aivojen osa, joka kontrolloi impulsseja ja harjoittaa pidemmän aikavälin perspektiiviä, eli otsalohkot, kypsyvät myöhemmin. Tämä viive saattaa selittää, miksi teini-ikäiset nuoret ottavat enemmän riskejä kuin vanhemmat nuoret.

Kun otsalohkot kehittyvät, tapahtuu kaksi asiaa. Ensinnäkin itsehillintä kehittyy, kun teini-ikäiset pystyvät paremmin arvioimaan syitä ja seurauksia. Toiseksi, useammat aivojen alueet osallistuvat tunteiden käsittelyyn, ja teini-ikäisistä tulee parempia tulkitsemaan tarkasti toisten tunteita.

Video 3.4.4. Brain Changes in Adolescence kuvaa joitakin fyysisiä muutoksia, joita tapahtuu nuoruusiässä.

Kasvatuksellinen neurotiede

Kasvatuksellinen neurotiede (tai neuropedagogiikka) on nouseva tieteenala, joka kokoaa yhteen neurotieteen, psykologian, kasvatustieteen ja jopa tekniikan tutkijoita tutkiakseen biologisten prosessien ja kasvatuksen välisiä vuorovaikutuksia. Kasvatusneurotieteen tutkijat tutkivat oppimisen, muistin, tarkkaavaisuuden, älykkyyden ja motivaation kaltaisten prosessien hermomekanismeja. Heidän tutkimuksensa kohdistuu myös vaikeuksiin, kuten lukihäiriöihin, laskuhäiriöihin ja ADHD:hen, jotka liittyvät koulutukseen. Tämän alan tutkijat voivat yhdistää kognitiivisen neurotieteen perushavainnot opetusteknologiaan auttaakseen opetussuunnitelmien toteuttamisessa tietyillä akateemisilla aloilla, kuten matematiikan ja lukutaidon opetuksessa. Kasvatusneurotieteen tavoitteena on tuottaa perus- ja soveltavaa tutkimusta, joka tarjoaa uuden tieteidenvälisen kuvauksen oppimisesta ja opettamisesta, joka pystyy antamaan tietoa koulutukselle.

Video 3.4.5. Johdatus kasvatusneurotieteeseen käsittelee sitä, miten neurotiede voi antaa tietoa opetukselle, ja hälventää useita yleisiä myyttejä, joita opettajat ja opiskelijat pitävät aivojen toiminnasta.