Kuulotiedon käsittely ja kielenkehitys

Minulla oli suuri ilo osallistua Fiskarsiin. Sain siellä kertoa ”Keskushermostollisen

21.5.2016 Skepsiksen kevätretkelle idylliseen omasta tutkimuksestani, ja puhuin otsikolla kuulotiedon käsittely ja kielenkehitys”.

TUTKIMUKSET, JOITA ESITTELIN, on toteutettu neljällä tutkimusmenetelmällä. Aivosähkökäyrä (EEG) on vanhin aivotoiminnan mittausmenetelmä – se on syntynyt 1920-luvulla Saksassa, kun Hans Berger mittasi pään pinnalta sähköistä signaalia ja huomasi signaalin muuttuvan, kun silmät suljettiin. Edelleen EEG:hen perustuva tutkimus, esimerkiksi kuulovasteiden mittaaminen, on erittäin yleistä. Mittalaitteet ovat melko edullisia, eivätkä vaadi laboratoriotiloja, vaan mittauksen voi suorittaa vaikka päiväkodissa.

MEG-menetelmä on EEG:n sisarmenetelmä, jossa mittaukset ovat teknisesti vaativampia ja tapahtuvat magneettisilta häiriöiltä suojatussa huoneessa. MEG:llä voidaan mitata myös sikiön aivotoimintaa, vaikka EEGsignaalia ei saadakaan sikiöltä mitattua.

MRI-menetelmällä voidaan mitata aivojen rakennetta erittäin tarkasti ja fMRI-menetelmä näyttää aivojen aineenvaihdunnassa tapahtuvien muutosten tarkat alueet.

VAUVAN KUULOTAIDOT

ENSIMMÄISENÄ ESITTELIN VAUVAN KUULOTAITOJA, joita voidaan mitata jo ennen syntymää. Alho et al 1990 mittasivat ensimmäisenä maailmassa EEG:llä vauvan vasteita äänen erottelutilanteessa, jossa äänenkorkeus vaihtuu. Vastaavia vasteita mittasimme MEG:llä sikiöiltä (Huotilainen et al 2005).

Vauvat pystyvät myös erottelemaan äänivirtoja toisistaan. Winkler et al 2003 esittelivät, kuinka vauvan aivot jakavat eri äänilähteistä tulevat (eri äänenkorkeuksia sisältävät) äänet kahteen eri äänivirtaan ja pystyvät analysoimaan ne erillään. Tämä on tärkeä taito äänten havaitsemisessa erityisesti meluisissa olosuhteissa.

Tilastollisen oppimisen tutkimuksissa (Teinonen et al 2009) rakensimme keinotekoisen kielen, joka sisältää kymmenen sanaa, jotka kukin koostuvat kolmesta tavusta. Tätä kieltä nukkuva vauva oppii kuulemalla tavuluetteloa, jossa kielen sanoja esitettiin satunnaisessa järjestyksessä siten, että kunkin tavun välillä oli samanmittainen tauko kuin sanojen välillä.

Sanojen oppimista ei voinut tapahtua millään muulla tavoin kuin kiinnittämällä huomiota tavujen seuraamistodennäköisyyksiin: tietyn sanan ensimmäisen tavun jälkeen tulee aina saman sanan toinen ja kolmas tavu. Sanan viimeisen tavun jälkeen voi tulla minkä tahansa sanan ensimmäinen tavu. Tästä syystä toinen ja kolmas tavu ovat ennustettavia, kun taas ensimmäinen ei ole.

Jo parin minuutin kuluttua sanavirtaa kuunneltuaan vauvan aivoista oli jo mitattavissa aivovaste, joka osoitti vauvan erottavan toisistaan sanojen ensimmäiset tavut. Tilastollinen oppiminen toimii nopeasti vauvan aivoissa, mutta aikuisen aivoissa tällä oppimistavalla ei ilmeisesti ole erityisen suurta merkitystä.

Olemme tutkineet myös jatkuvaan puheeseen tulevia aivovasteita vauvojen aivoissa (Sambeth et al 2008). Näiden tutkimusten mukaan laulun aistiminen aiheuttaa vauvan aivoissa voimakkaita vasteita. Sen sijaan puheen, josta on poistettu äänenkorkeuden vaihtelut tai puheen, josta on poistettu formantit, aistiminen saa aikaan pienentyneitä vasteita. Laulun aistiminen näyttää olevan koko kuulojärjestelmän kehitykselle edullista.

Eino Partasen väitöskirjassa (2013a, 2013b) mittasimme sikiöaikaisen oppimisen aikaansaamia aivovasteita. Raskaana olevat naiset soittivat loppuraskauden aikana levyä, jolla oli sekä musiikkia että puhetta. Puheen piirteiden muutoksille ja musiikin muutoksille havaittiin suurentuneita aivovasteita vauvoilla, jotka olivat saaneet sikiöaikana kuulla levyä. Tämä oli ensimmäinen kerta, kun sikiöaikaisen oppimisen jälkiä pystyttiin mittaamaan vauvan aivoista.

MUSIIKIN HYÖDYLLISYYS

ESITTELIN SKEPTIKOILLE myös äännekartan käsitettä: äännekartta sisältää mallit äidinkielen äänteistä ja sitä tarvitaan kuulojärjestelmän nopean ja tehokkaan toiminnan mahdollistamiseksi (Näätänen et al 1997). Äännekartan syntyminen 6-12 kuukauden iässä ei välttämättä suju optimaalisesti, jos vauva on syntynyt ennenaikaisena, mikä voi näkyä myöhemmin kielellisen kehityksen ongelmina (Jansson-Verkasalo et al 2010).

Vesa Putkisen (2013) väitöskirjassa selvitimme musiikin vaikutusta kuulotiedon käsittelyyn. Musiikkiharjoittelu kasvattaa kuulojärjestelmän kapasiteettia yleisellä tasolla ja osa kielen piirteistä on helpommin opittavissa musiikin kautta. Hyde et al 2009 osoittivat, että musiikillinen harjoittelu kasvattaa kuulojärjestelmän, tuntojärjestelmän ja aivokurkiaisen kokoa lapsilla mitattuna noin 15 kuukauden kuluttua harjoittelun alkamisesta.

Bengtsson et al 2005 osoittivat valkean aineen ratojen vahvistumista musiikkia opiskelevilla henkilöillä. Tämä vaikuttaa siten, että tieto kulkee nopeammin aivoalueiden välillä. Slater et al 2015 osoittivat, että lasten puheen erottelu melussa parani muskarituntien avulla ja Kraus et al 2014 osoittivat, että konsonanttien erottelutarkkuus parani sitä enemmän, mitä enemmän vaikeista olosuhteista tulevat lapset osallistuivat ilmaisiin muskaritunteihin.

Äännekartta joutuu muovautumaan, kun opimme uusia kieliä. Vieraan kielen äänteet on mahdutettava äidinkielen äänteiden sekaan äännekartalle. Äännekartta muovautuu, kun uusia äänteitä opitaan lausumaan ja havaitsemaan. Winkler et al 1999 osoittivat, että suomea osaavilla unkarilaisilla on vahva edustus ä-äänteelle, kun taas suomea osaamattomilla tätä edustusta ei ole, sillä ä-äänne ei kuulu unkarin kieleen. Cheour et al 2002 osoittivat, että äännekartta muovautuu muutamassa kuukaudessa suomalaisilla lapsilla, jotka altistuvat 6-8 tuntia päivässä ranskankieliselle puheelle. Fernandez et al 20014 osoittivat, että kaksikielisyys edistää myös kykyä inhiboida eli estää tiettyjä toimintoja tapahtumasta. Tämä on elämänhallinnan kannalta hyödyllistä.

Jos lapsi ei kuule normaalisti, puheen kehitys häiriintyy. Sisäkorvaistutteen saava, aiemmin kuuro lapsi hyötyy musiikillisesta toiminnasta, sillä erityisesti prosodian havaitseminen kehittyy ja tämä helpottaa melussa kuulemista (Torppa et al 2014).

NEUROTIETEEN HAASTEET

FINNBRAIN-HANKKEESSA tutkimme Turussa vauvojen kuulovasteita emotionaalisille äänille. Olemme löytäneet yhteyksiä aivovasteiden ja äidin raskausaikaisen mielenterveyden ja psyykkisen oireilun välille. Tutkimukset jatkuvat, ja perheen kokonaistilanteen ymmärtäminen ja taustalla olevien prosessien kartoittaminen palvelee aivovasteiden yksilöllisten erojen ymmärtämistä.

Toimin vastaväittäjänä Sini Haapalan väitöstilaisuudessa 20.5.2016. Väitöskirjassa havaittiin, että toistuvista välikorvantulehduksista kärsineiden lasten aivovasteet puheäänteille poikkesivat normaalista (Haapala et al 2013) ja aivovasteet tarkkaavuuden kääntymiselle ovat viivästyneitä (Haapala et al 2016). Myös konsonanttien tuottaminen ja sanavarasto ovat jäljessä normaalia kehitystä (Haapala et al 2015). Ilmiöt johtuvat todennäköisesti kuulonalenemasta, joka on aiheutunut korvatulehduksista.

Halusin myös avata keskustelua neurotieteen vaikeista kysymyksistä. Mielestäni näitä ovat: • Mitä tarkoittaa, jos vaste on ”erilainen”? • Mikä funktio/toiminta vasteen taustalla on? • Mitä tarkoittaa, että tietty aivoalue aktivoituu tie-

tyssä tehtävässä? • Mitä laajemmat aivoalueet ja vahvistuneet valkean

aineen radat tarkoittavat käytännössä? • Mitä merkitsee korrelaatio aivovasteen ja jonkin

muun asian välillä?

Keskustelimme näistä neurotieteen haasteista ja totesimme yhteistuumin, että tiede etenee erittäin pienin askelin ja kärsivällisyyttä vaatien. Aineiston karttuessa ymmärrys kasvaa hetki hetkeltä.

Skepsiksen retkelle osallistuneiden kanssa oli erittäin mukava jakaa ajatuksia ja kysymyksiäni tieteestä ja erityisesti aineiston tulkinnoista. Kiitän vielä saamastani Sokrates-palkinnosta ja siitä työstä, jota Skepsis tekee tieteen tulosten huomioon ottamiseksi yhteiskuntamme eri tasoilla.

LÄHTEET

Kimmo Alho, Kimmo Sainio, Nina Sajaniemi, Kalevi Reinikainen and Risto Näätänen: Event-related brain potential of human newborns to pitch change of an acoustic stimulus. Electroenceph Clin Neurophys 1990 Minna Huotilainen, Anu Kujala, Merja Hotakainen, et al.: Short-term memory functions of the human fetus recorded with MEG, 2005, NeuroReport Istvan Winkler, Elena Kushnerenko, et al: Newborn infants can organize the auditory world, 2003, PNAS Tuomas Teinonen, Vineta Fellman, Risto Näätänen, Paavo Alku & Minna Huotilainen: Statistical language learning in neonates revealed by event-related potentials, 2009, BMC Neuroscience Anke Sambeth, Katja Ruohio, Paavo Alku, Vineta Fellman, & Minna Huotilainen: Sleeping newborns extract prosody from continuous speech. 2008, Clinical Neurophysiology Eino Partanen, Teija Kujala, Risto Näätänen, Auli Liitola, Anke Sambeth & Minna Huotilainen: Learning-induced neural plasticity of speech processing before birth. 2013, PNAS Eino Partanen, Teija Kujala, Mari Tervaniemi & Minna Huotilainen: Prenatal music exposure induces long-term neural effects. 2013, PLOS-One Risto Näätänen, Anne Lehtokoski, Mietta Lennes, Marie Cheour, Minna Huotilainen et al: Language-specific phoneme representations revealed by electric and magnetic brain responses. 1997, Nature Eira Jansson-Verkasalo, Timo Ruusuvirta, Minna Huotilainen et al: Atypical perceptual narrowing in prematurely born infants is associated with compromised language acquistion at 2 years of age. 2010, BMC Neuroscience Vesa Putkinen, Mari Tervaniemi, Pauliina Ojala, Katri Saarikivi & Minna Huotilainen: Enhanced development of auditory change detection in musically trained school-aged children: A longitudinal event-related potential study. 2013, Developmental Science Krista Hyde, Jason Lerch, Marie Forgeard, Ellen Winner, Alan Evans & Gottfried Schlaug: Musical training shapes structural brain development. 2009. The Journal of Neuroscience Sara Bengtsson, Zoltan Naty, Stefan Skare, Lea Forsman, Hans Forssberg & Fredrik Ullen: Extensive piano practicing has regionally specific effects on white matter development. 2005. Nature Neuroscience Jessica Slater, Erica Skoe et al: Music training improves speech-in-noise perception: Longitudinal evidence from a community-based music program. 2015, Behavioural Brain Research Nina Kraus, Jessica Slater, Elaine Thompson et al: Music enrichment programs improve the neural encoding of speech in at-risk children. 2014, The Journal of Neuroscience Istvan Winkler, Teija Kujala et al: Brain responses reveal the learning of foreign language phonemes. 1999, Psychophys Marie Cheour, Anna Shestakova et al: MMN shows that 3-6-y-old children can learn to discriminate speech sounds within two months. 2002, Neurosci Lett Mercedes Fernandez, Juliana Acosta et al: Speaking two languages enhances an auditory but not a visual marker of cognitive inhibition. 2014, AIMS Neuroscience Ritva Torppa, Minna Huotilainen Miika Leminen, Jari Lipsanen & Mari Tervaniemi: Interplay between singing and cortical processing of music: a longitudinal study in children with cochlear implants. 2014. Frontiers in Psychology Haapala et al., 2013 Ear&Hearing Haapala et al., 2016 Behav&Brain functions Haapala et al., 2015 First language