Aivotutkimus kielen havaitsemisessa

Antti Saloranta ja Leena Maria Heikkola

Kielen havaitsemisen tutkimukseen on olemassa lukuisia menetelmiä, joista monet ovat olleet käytössä vuosikymmenien ajan. Vaikka äänteiden tunnistuskokeet, reaktioajat ja erottelun tarkkuuden mittaaminen tarjoavatkin monipuolista tietoa oppijan havaitsemistaidoista, voi kuitenkin olla vaikeaa tietää, mitkä prosessit tulosten taustalla vaikuttavat. Siksi monet kielentutkijat keskittyvätkin kaiken kielellisen toiminnan alkulähteeseen, eli aivoihin. Aivoja tarkastelemalla voidaan tutkia esimerkiksi äidinkielen omaksumista lapsuudessa, vieraan kielen oppimisen edistymistä tai huomion kiinnittymistä äidinkielen sääntöjen vastaisiin äänneilmiöihin.

Monet aivotutkimusmenetelmät, kuten magneettikuvantaminen, vaativat erittäin kalliita ja monimutkaisia laitteistoja, jotka jo itsessään rajoittavat sitä, millaisia tutkimuksia on mahdollista toteuttaa. Poikkeuksen tähän sääntöön muodostaa 1920-luvulla ihmiskäyttöön otettu elektroenkefalografia (EEG) eli aivosähkökäyrä. Se on nopea valmistella, suhteellisen miellyttävä kokeeseen osallistujille eikä se vaadi sairaalaympäristöä tai erikoisrakenteista huonetta. Siksi se onkin laajalti tutkimuskäytössä ympäri maailman, Turun yliopistossa muun muassa fonetiikan oppiaineessa.

Kaikki aivoissa tapahtuva toiminta on sähköistä, ja aivosähkökäyrällä mitataan toiminnan aiheuttamia sähköisiä jännitteitä ja niiden muutoksia. Nykyisillä, teknisesti kehittyneillä laitteilla aivosähkökäyrällä saadaan kohtuullisen tarkkaa tietoa aivoaktivaatioiden sijainnista, mutta erityisen tarkka se on ajallisesti. Aivojen reagointia esimerkiksi ääni- tai visuaalisiin ärsykkeisiin voidaan mitata millisekuntien tarkkuudella, ja ärsykkeen käsittelyn vaiheita voidaan seurata tarkasti jo ennen kuin kokeeseen osallistuja on edes tajunnut havainneensa jotakin. Monet tutkijat keskittyvätkin tähän esitietoiseen vaiheeseen, jonka tapahtumiin osallistuja ei voi tietoisesti vaikuttaa.  Se tarjoaa luotettavinta tietoa siitä, mikä osallistujan kielitaidon todellinen tilanne on, koska kielitaito ei voi esimerkiksi arvaamisen tai muun tietoisen valinnan kautta vaikuttaa mittaustuloksiin.

Tärkeimpiä ja kielentutkimuksessa käytetyimpiä aivovasteita on poikkeavuusnegatiivisuus, josta käytetään yleensä englanninkielistä lyhennettä MMN (MisMatch Negativity). MMN on aivojen vaste akustisessa ärsykevirrassa havaittuun muutokseen. Se syntyy siis poikkeavalle äänelle, esimerkiksi kun matalien äänien sarjassa kuullaankin välillä korkeampi ääni. MMN syntyy, vaikka osallistuja ei kiinnittäisi mitään huomiota kuulemiinsa ärsykkeisiin.

MMN on kielikohtainen, mikä tarkoittaa, että vasteen voimakkuus tai esiintyminen ylipäätään voivat olla täysin erilaisia eri äidinkielisillä ihmisillä, vaikka käytetyt ärsykkeet olisivat täsmälleen samat. Esimerkiksi suomalaisilla lyhyiden puheäänteiden virrassa kuulluille pidemmille äänteille muodostuu paljon voimakkaampi MMN-vaste kuin sellaisilla puhujilla, joiden kielissä äänteiden pituudella ei ole merkitystä. Tällaisia kielikohtaisia vasteita on keston lisäksi havaittu esimerkiksi vokaalien laadulle ja sävelkielten säveltyyppien erottelulle.

MMN-vasteet myös muuttuvat oppimisen tai harjoittelun myötä. Aiemmin kokonaan puuttunut vaste jollekin äänne-erolle voi muodostua ja vahvistua esimerkiksi harjoittelun, kielikylvyn tai toiseen maahan muuttamisen seurauksena. Esimerkiksi suomenopiskelijan aivoista voitaisiin siis seurata suomen kestoerojen oppimisen edistymistä mittaamalla MMN-vasteen muutosta erimittaisille ärsykepareille opintojen edetessä. MMN on tämän vuoksi erinomainen työkalu vieraan kielen oppimisen tutkimuksessa.

Kuvassa esimerkki kahtena eri päivänä mitatusta aivosähkökäyrästä, jossa on selvästi havaittavat MMN- ja P3-vasteet. MMN on aikaistunut ja voimistunut mittauskertojen välillä, mutta P3 on pysynyt jokseenkin samanvahvuisena. Pystyakselilla on vasteen voimakkuus mikrovoltteina, vaaka-akselilla aika millisekunteina.

Toinen yleisesti käytetty vaste on P3, joka on yhteydessä huomion kohdistamiseen sekä ärsykkeiden luokitteluun. Sitä mitataan tyypillisimmin aktiivisten erottelutehtävien yhteydessä, jolloin osallistujan tulee esimerkiksi kuunnella ärsykevirtaa ja painaa nappia aina huomatessaan jonkin poikkeaman. Toisin kuin automaattisesti ja esitietoisesti syntyvä MMN, P3 siis on yhteydessä varhaisen tason tietoiseen prosessointiin.  Siitä mitataan tyypillisesti sekä sen tarkkaa syntymisaikaa, eli latenssia, että itse vasteen voimakkuutta, eli amplitudia. Latenssi on yhteydessä tehtävän vaikeuteen, eli esimerkiksi siihen, kuinka hienovarainen äänne-ero on. Tällöin vaste alkaa sitä myöhemmin, mitä vaikeampi tehtävä on. P3:n voimakkuus taas on yhdistetty huomion kiinnittymiseen poikkeaviin ärsykkeisiin sekä tahallisesti että tahattomasti: vaste on suurempi, mikäli poikkeava ärsyke on yllättävä ja mikäli kaikki huomio voidaan häiriöttä keskittää annettuun erottelutehtävään.

Semanttista prosessointia on tarkasteltu erittäin paljon vasteella nimeltä N400. N400 mittaa siis esimerkiksi sanojen merkitysten käsittelyä, ja se syntyy vasteena mille tahansa sisältösanalle. Tyypillinen N400-vastetta kartoittava tehtävä koostuu usein lauseista, jotka eroavat toisistaan vain yhden sanan suhteen. Yksi lause on semanttiselta merkitykseltään odotuksenmukainen ja toinen epäodotuksenmukainen. Vasteen oletetaan heijastavan vaikeutta integroida sanan merkitys edeltävään kontekstiin. Syntaktista prosessointia on puolestaan tarkasteltu P600-vasteella. On esitetty, että vaste heijastaa syntaktisen virheen tai poikkeuksen prosessointia. Tyypillinen koeasetelma sisältää kaksi lausetta, jotka eroavat toisistaan vain yhden tietyn (morfo)syntaktisen virheen, esimerkiksi sanajärjestyksen, suhteen.

Aivosähkökäyrällä voidaan siis luotettavasti tutkia kielen osaamista ja oppimista yksittäisistä äänteistä aina lausetasoon asti. Siksi se pysyneekin pitkästä historiastaan huolimatta kielentutkijoiden työkalupakissa vielä pitkälle tulevaisuuteenkin.