Aivojen toiminta

Tämä dokumentti toimii yhteenvetona käsityksistäni aivojen kognitiivisesta
toiminnasta. En ole vielä opiskellut asiaa kovin syvällisesti, mutta joitain
asioita olen luultavasti ymmärtänyt suunnilleen oikein.

Pitkäkestoinen muisti

Pitkäkestoiseksi muistiksi kutsutaan aivojen kykyä tallentaa asioita ja
palauttaa niitä myöhemmin takaisin tietoisuuteen, eli käsiteltäväksi.
Muistamisprosessia ei tunneta täysin yksityiskohtaisesti (kuten ei aivojen
toimintaa yleensäkään), mutta joitain perusperiaatteita on selvitetty
erilaisilla kokeellisilla tuktimuksilla.

Nykyiset keinotekoiset neuroverkkosovellukset toimivat joissain määrin
samalla tavalla muistamisen suhteen kuin ihmisaivotkin. Kun aivoihin
syötetään jokin muistettava asia, ei tämä asia tallennu tarkasti omaan
lokeroonsa muistissa, vaan sulautuu aivojen hermoverkkoon muiden muistojen
kanssa. Hermoverkon kopleksisuuden ansiosta muistiin “mahtuu” niinkin paljon
asioita kuin niihin mahtuu. “Asia” tässä tarkoittaa jotakin käsitettä tai
mielikuvaa, jota aivo pystyy käsittelemään. Tällainen käsite ei ole
yksittäinen ärsyke silmästä tai korvasta, vaan ennemminkin tällaisen
aistihavainnon tulkinta ja merkityksen antaminen aikaisempien tietojen
perusteella. Tämä käsitteenmuodostus aistihavainnoista ja aikaisemmista
muistoista tapahtuu tiedostamatta.

Kun käsite on muodostunut työmuistissa, syötetään se samantien
pitkäkestoiseen muistiin. Pitkäkestoinen muisti on neuroverkko, jossa on
lukemattomia eri syötteitä. Jokaiseen syötteeseen lähetetään käsitteeseen
kuuluva signaali. Nämä syötteet kattavat itse käsitteen piirteet, mutta myös
senhetkisen tunnetilan, muita asiaan liittymättömiä aistihavaintoja ja
aikaisemmat aktivoidut muistot. Neuroverkkoon tallentuu jonkinlainen
muistijälki tästä kokonaisuudesta, mutta kaikkia yksityiskohtia ei
tallenneta.

Kun aivot sitten yrittävät palauttaa asian pitkäkestoisesta muistista, ei
palautusta aloiteta tyhjästä. Jotta tulisi edes tarvetta palauttaa tietty
asia, täytyy aivojen ensin käsitellä siihen jotenkin liittyvää asiaa. Jonkin
asian käsittely lataa automaattisesti tietoja (tunteita, aistihavaintoja…)
muistin syöttöväyliin ja saa mahdollisesti aikaan jonkin asian palauttamisen
muistista. Neuroverkosta palautuu summittaisesti tietoa aiemmin muistiin
painetusta käsitteestä, mutta tämä kuva ei ole täydellinen. Palautusprosessi
on konstruktivistinen, eli puuttuvat osat täydentyvät itsekseen muista
muistoista löytyvistä yksityiskohdista.

Siitä, ovatko muistiin tallentaminen ja palauttaminen kaksi erillistä
prosessia, ei minulla ole tietoa, mutta olettaisin, että kyseessä on sama
prosessi, jota vain painotetaan eri tavalla. Aina jotain tietoa haettaessa
tallentuu myös aivoihin jotain tietoa tästä palautuksesta – kun jotain asiaa
tarvitaan tarpeeksi usein, tulee sen muistaminen aina vain helpommaksi. Eli
muistista palauttaminen aiheuttaa myös muutoksia itse muistiin. Luultavasti
myös jonkin asian muistaminen palauttaa joitain vanhempia muistoja. Prosessi
on molempiin suuntiin hyvin pitkälle tiedostomaton ja tapahtuu
automaattisesti. Tilanteessa, jossa ihminen todella pinnistelee muistaakseen
jotain, hän lähinnä käy läpi erilaisia toisiinsa liittyviä asioita ja
ikäänkuin herkistää itsensä havainnoimaan muistista palautuvia asioita ja
seuraamaan yhä uudelleen niistä vuorostaan esiin nousevia asioita, kunnes
hän lopulta saa haluamansa tiedon kaivettua muististaan.

Jokin asia on “helppo muistaa” silloin, kun siihen liittyy voimakkaita
“koukkuja”, eli jokin voimakas tunnetila, tietty yksityiskohtainen havainto
(kuten jokin tietty ympäristö, äänimerkki…) tai jokin voimakkaasti
assosioituva käsite (kuten lähisukulainen, tai mikä tahansa asia, joka on
merkityksellinen ja tarpeeksi tuttu). Kun tarpeeksi moni koukku on
paikoillaan, palautuu niiden perusteella joitain muistoja aivoista. Jos heti
ei palaudu juuri oikea muisto, toimii palautettu käsite kuitenkin
lisäkoukkuna, joka voi johtaa lähemmäs haluttua muistoa.

Tilannekohtainen kognitio tarkoittaakin sitä, että monesti opitut asiat
assosioituvat oppimisympäristöön – esimerkiksi kieliopin muistaa helpoimmin
pulpetissa istuessaan, pyöräreitin kulun muistaa istuessaan pyörän satulassa
ja tietyt muistot palautuvat mieleen kun palaamme paikkaan, jossa ne on
alunperin koettu. Eräs ongelma oppimisessa onkin asioiden irrottaminen
ympäristöstä niin, että niitä voidaan hyödyntää muualla elämässä
(siirtovaikutus).

Työmuisti

Pitkäkestoisessa muistissa muistot ovat jotenkin tallessa (vaikkeivät
kovinkaan luotettavasti), mutta myös poissa tietoisuudesta. Ihmisaivon
tietoisuudessa olevat asiat ovat työmuistissa, johon nykykäsitysten mukaan
mahtuu 4-7 käsitettä samanaikaisesti, ei enempää.

Työmuisti ja pitkäkestoinen muisti toimivat läheisesti yhdessä. Kun
työmuistiin sijoitetaan jokin käsite (vaikkapa aistihavainnon perusteella),
tapahtuu automaattisesti pitkäkestoisen muistin aktivointi, jolloin
muistista nostetaan esiin työstettävän käsitteen (kuten “auto”) yläkäsitteet
(“kulkuväline”), alakäsitteet (“toyota”, “bussi”), assosiaatiot
(“matkustaminen”, “liikkuminen”, “vauhti”) ja tutut ilmentymät (“oma
autoni”, “bussilinja 39”). Näistä nostoista siirretään työmuistiin ne, jotka
katsotaan tarpeellisiksi.

4-7 käsitettä tuntuu rajalliselta, niin kuin asia onkin. Mutta onneksi
käsitteet voivat olla varsin monimutkaisiakin. Tietyn alan asiantuntijuuden
kasvaessa sen alan käsitteet muuttuvat yksityiskohtaisemmiksi ja sisältävät
enemmän tietoa. Tämä selittää aloittelijan ja asiantuntijan suorituskyvyn
eron – aloittelijan työtä hidastaa ja hankaloittaa työmuistin rajallisuus.
Jos aiheena on vaikkapa veroilmoituksen täyttäminen, joutuu aloittelija
käsittelemään yksittäisiä lukuja, lomakkeen rakennetta ja toimintaohjeita,
joista vain 4-7 mahtuu kerralla päähän. Asiantuntija sen sijaan pystyy
käsittelemään käsitteitä kuten vähennettävät kulut, verotettava tulo ja
korkovähennykset. Lomakkeen rakenne on hänelle tuttu ja on verrattavissa
hänen työkäsitteisiinsä samoin kuin toimintaohjeetkin. Hän pystyy pitämään
lähes koko veroilmoituksen kerralla työmuistissaan.

On kuitenkin muistettava, että edellisen esimerkin asiantuntija ei ole
“älykkäämpi” kuin esimerkin aloittelija. Jos työtehtävä olisikin vaikkapa
auton moottorin korjaaminen, jossa roolit olisivat päinvastaiset, olisivat
tuloksetkin odotettavia. Asiantuntija on asiantuntija vain omalla alallaan –
muissa tehtävissä hän voi olla täysi tumpelo.

Työmuistin kapasiteetti ei kuitenkaan ole rajaton. Eri alojen
asiantuntijoita tutkittaessa on kuitenkin havaittu, että työmuisti laajenee
pitkäkestoiseen muistiin. Tämän kognitiivisen adaptaation tuloksena on
niinsanottu pitkäkestoinen työmuisti, johon asiantuntija pystyy varastoimaan
suuria määriä tietoja ja palauttamaan ne tarkemmin ja nopeammin aktiiviseen
työmuistiin kuin tavallisesta pitkäkestoisesta muistista.

Oppiminen aivojen sisällä

Oppimisella ei tarkoiteta pelkästään asioiden muistamista. Muistaminen
helpottuu, kun asioihin liittää tarpeeksi koukkuja, siis tekee asioista
tarpeeksi epätavallisia ja konkreettisia. Oppimisella tarkoitetaan
ymmärryksen lisäämistä, siis uusien asioiden ymmärtämistä ja vanhojen
käsitysten muuttamista. Puhutaankin käsitteellisestä muutoksesta tai
tarkennuksesta.

Käsitteellinen muutos rakentuu aina vanhoille käsityksille, jotka ovat
valmiiksi olemassa aivoissa. Uusia asioita on hyvin vaikea oppia tyhjän
päälle – esimerkiksi osittaisderivointia on mahdoton ymmärtää, ennen kuin
ymmärtää lukuisia yksinkertaisempia matematiikan käsitteitä, kuten
funktioita ja muuttujia. Osittaisderivoinnin voi kyllä oppia muistamaan
siten, että sitä voi jopa käyttää joissain yksinkertaisissa tilanteissa,
mutta jotta tätä taitoa voitaisiin soveltaa uusiin tilanteisiin, on se
ymmärrettävä perusteellisesti.

Oppimiseen liittyy siis aina ankkurointi, eli uusien käsitteiden sitominen
vanhoihin, jo ymmärrettyihin käsitteisiin (grounded learning). Monesti uuden
oppiminen voi myös muuttaa käsitystä aiemmin opituista asioista. Oppiminen
vaatii siis avointa mieltä – on oltava valmis muuttamaan vanhoja
käsityksiään uuden tiedon valossa.

Ihmisaivon oppimat asiat voidaan jakaa kahteen tyyppiin: käsitemalleihin ja
toimintaprosesseihin. Käsitemalleihin tallentuu tietoja uusista käsitteistä
ja niiden suhteista muihin käsitteisiin. Kaikki mallit muodostavat
monimutkaisen assosiaatioverkon, joka mahdollistaa asioiden yhdistelyn.
Toimintaprosessi taas kuvaa tietyssä tilanteessa opittua toistuvaa
toimintasarjaa, jonka suorittaminen muuttuu ajan mittaa tiedostamattomaksi.
Esimerkkinä olkoon vaikkapa kävely – aluksi se on todella vaikeaa ja vaatii
koordinaation kehittymistä. Kun kävely sitten sujuu, kuluu vielä pitkään,
ennen kuin käveleminen tapahtuu vaikeassakin maastossa automaattisesti ilman
tietoista ponnistelua.

Sivuhuomautus: Ohjelmistosuunnittelussa käytettävä oliomallinnus liippaa
todella läheltä ihmisen aivojen toimintaa. Aivojen käsitemalleja vastaavat
UML:ssä (Unified Modelling Language, nykyisin ehdottomasti yleisin
mallinnuskieli) luokka- ja oliokaaviot (class and object diagrams) ja
toimintaprosesseja taas toiminta-, viestiyhteys- ja yhteistyökaaviot
(action, sequence and collaboration diagrams). Aivojen toiminnan
mallintaminen UML:llä onkin mielenkiintoinen ajatus, josta otan kyllä kaiken
kunnian itselleni. Vaikka useimmat tässä esitettämi ajatukset ovat peräisin
kirjoista ja tutkimuksista, tämän yhteyden oppimisartefaktien ja
ohjelmistoteollisuuden mallinnusartefaktien välillä olen itse havainnut. Voi
tietysti olla, että siitäkin on tehty tutkimuksia, mutta ainakaan
tietoisesti en sellaisia muista nähneeni.

Oppiminen käytännössä

Oppimisella tarkoitetaan siis ihmisen ymmärryksen lisäämistä. Tätä ongelmaa
voidaan lähestyä käytännössä monella tasolla. Eräs niistä on Vygotskin
teoria lähikehitysvyöhykkeestä. Tämä lähikehitysvyöhyke on sellainen alue,
jota yksilö ei pysty yksin saavuttamaan (yksin saavutettava alue on se alue,
joka on jo opittu ja ymmärretty), mutta johon hän pystyy sopivien
tukirakenteiden avulla. Nämä tukirakenteet voivat olla vaikkapa opettajan
antama tuki, kuten oikeaan suuntaan ohjaavien kysymysten esittäminen.

Toinen lähestymistapa on dynaaminen asiantuntijuus, joka tarkoittaa
progressiivista (eli vähitellen etenevää ja syvenevää) ongelmanratkaisua.
Tämä tekniikka vietynä vähän pidemmälle kulkee Suomessa nimellä “tutkiva
oppiminen”.

Asioiden oppimiseen on toki monia eri tekniikoita, joista opiskelijan
pitäisi pystyä valitsemaan itselleen parhaiten sopivat. Metakognitiiviset
taidot auttavat tässä ja niistä kerron enemmän myöhemmin. Joka tapauksessa
kirjoitettu teksti on niin merkittävässä asemassa, että tekstistä on pakko
oppia oppimaan.

Tekstiä lukemalla ja kertaamalla saavutetaan vasta tekstin tulkinnan
ensimmäinen taso, “pintamuisti”. Tällöin muistetaan vaihteleva määrä
yksityiskohtia, riippuen alleviivauksista ja muista merkintätavoista. Suuret
käsitteet jäävät kuitenkin hämäriksi.

Tekstiä aktiivisesti muokkaamalla saavutetaan toinen taso, “tekstimalli”.
Aktiivinen muokkaus tarkoittaa esimerkiksi tiivistelmän kirjoittamista tai
käsitekarttoja (jotka ovat tutkimusten mukaan yhtä tehokkaita tapoja),
analogioiden vetämistä muihin jo opittuihin asioihin, johtopäätösten
tekemistä tekstistä, sekä alleviivauksia joilla hahmotellaan tekstin
yleiskuvaa. Lisäksi myös näkymättömät tekniikat, joista ei synny
artefakteja, kuten mielessä kertaaminen tai konkreettisten esimerkkien
keksiminen lukuvaiheessa, auttavat. Tekstimallin sisäistämällä yksilö
hahmottaa asian pääkohdat ja tekstin rakenteen ja ymmärtää asiaa
kohtuullisen hyvin, mutta ei vielä pysty soveltamaan asiaa kovin erilaisessa
ympäristössä.

Kolmas taso, “sisältömalli”, saavutetaan jatkamalla tekstimallista tekemällä
omia päätelmiä ja rakentelemalla omia ajatuskuvioita. Kolmannen tason
saavuttaminen tarjoaa jo niin kattavan ymmärryksen, että tietoa voidaan jo
soveltaa uusissa tilanteissa.

Muistiinpanojen tekeminen vaatii jonkinlaista kirjoittamistaitoa. Yksilön
kirjoitusten laatua voidaan parantaa asiantuntijatuella, eli ohjaamalla
kirjoittajan huomio tärkeisiin asioihin (kuten kenelle teksti on
tarkoitettu). Hyväksi havaittu kirjoitustekniikka on prosessikirjoittaminen,
jossa ensin tehdään esikirjoitus eli merkitään muistiin ideat. Seuraavaksi
tehdään luonnokset ja jäsennetään kokonaisuus. Seuraavaksi hankitaan
palautetta asiantuntijoilta ja palautteen saamisen jälkeen muokataan tekstiä
niiden mukaan. Sitten jatketaan taas jäsennyksellä ja toistetaan, kunnes
teksti on tarpeeksi hyvä.

Kognitio eli älyllinen toiminta

Ylläesitetyt ajatukset aivojen toiminnasta ja oppimisesta perustuvat
pitkälti viimeisen 20 vuoden aikana muodostuneeseen kognitiiviseen
tieteenalaan, jossa tutkitaan älyllisiä toimintoja sekä ihmisissä että
teknologian avulla. Ihmisaivojen kognitiivinen tutkimus onkin selvittänyt
monia mielenkiintoisia asioita.

Ensinnäkin on todettava, että “älykkyyttä” ei voi noin vain mitata ja
todeta, että tietty yksilö on älykäs tai tyhmä. Älykkyys on luonteeltaan
dynaamista ja sovellusalakohtaista ja sitä voidaan harjoittaa. Yhdellä
alalla älykäs ihminen on todennäköisesti harjoitellut pitkään, mutta hän ei
ole jollain täysin toisella alalla yhtään keskivertoihmistä fiksumpi. Jos
yliopiston professori osaa korjata auton, ei se johdu siitä, että hän on
yliopiston professori, vaan luultavammin siitä, että hän on koko nuoruutensa
korjaillut autoja. Älykkyyttä voidaan toki mitata, mutta tällöin on
muistettava, että tulos on vain hetkellinen ja nimenomaan mittauksessa
käytettyyn alaan soveltuva. Se, että esimerkiksi mustaihoiset ihmiset eivät
pärjää perinteisissä “älykkyystesteissä” yhtä hyvin kuin koulutetut
länsimaalaiset, ei johdu siitä, että he ovat syntyneet mustiksi, vaan siitä,
että perinteinen älykkyystesti mittaa asioita, joita opetetaan länsimaiden
koulutusjärjestelmissä, joista taas mustaihoisilla on edelleen (ainakin
Yhdysvalloissa) huonommat edellytykset päästä osallisiksi.

Ihmisaivot eivät ole kovinkaan älykkäitä. Jo aiemmin kerroin, että
muistamisprosessikin on hyvin konstruktiivinen ja summittainen. Lisäksi
“luomakunnan kruunun” loogiset päättelykyvyt ovat varsin vialliset.
Ensinnäkin ihmisaivoja riivaa arkipsykologiankin nimellä kulkeva
intuitiivisuus – aivot kehittävät käsityksiä asioista, joista niillä ei ole
tietoa, kirjaimellisesti tyhjästä. Lisäksi ongelmana on uskomusten pysyvyys.
Kun jokin asia on jollain tavalla noteerattu (siis havaittu), tämä käsitys
tallentuu aivoihin – aina. Virheellisten käsitysten muuttaminen jälkikäteen
on todella työlästä. Ensivaikutelmat pysyvät pitkään.

Aivot pyrkivät myös uskottelemaan itselleen olevansa oikeassa
(vahvistus/illuusioefekti). Kun aivot ovat jotain mieltä jostain asiasta, ne
aktiivisesti pyrkivät löytämään käsitykselleen vahvistusta, mutta välttävät
ristiriitaisten asioiden havainnointia.

Samoin aivot pyrkivät usein selvittämään “parhaan mahdollisen” selityksen
jollekin asialle. Tämän selvitti tutkimuksissaan Wason, joka esitti
koeryhmälle numerosarjan 2-4-6 ja pyysi näitä päättelemään, minkä säännön
mukaan numerosarja on muodostettu ja miten se jatkuisi. Sinäkin lukijana
varmaan ajattelet, että sarja voisi jatkua vaikkapa 8-10-12. Wasonin sääntö
oli kuitenkin yksinkertainen: seuraavan numeron oltava edellistä suurempi.
Koeryhmällä kesti todella kauan selvittää tämä sääntö, sillä he eivät
tulleet ajatelleeksi, että se voisi olla noin “tyhmä”.

Ihmisen päättely voi tapahtua kolmella erilaisella tavalla. Ensinnäkin
käytössä on induktio eli säännön selvittksilö ymmärtää ja osaa)
sosiaalisesta kognitiosta (mitä ryhmä tai yhteisö ymmärtää ja osaa). Kun
yksilö oppii ymmärtämään jotakin artefaktia, hän sisäistää asian.
Ulkoistuksessa taas yksilö kopioi yksilöllistä osaamistaan artefaktiksi ja
muiden käytettäväksi. Aiemmin korostettiin yksilöllistä osaamista (LaTour),
mutta nykyisin pidetään sosiaalista kognitiota ja kognitiivisten artefaktien
luomista tärkeämpänä (Garviel, Salomon).

Metakognitio tarkoittaa kognition havainnointia, säätelyä ja seurantaa.
Metakognitioon kuuluu ensinnäkin tietoisuus omasta kognitiosta ja sen
toimintaperiaatteista. Tämän jälkeen yksilö voi itse säädellä esimerkiksi
oppimisprosessiaan ja valita oppimistekniikoita, jotka soveltuvat itselle
parhaiten.

Metakognitiota tarvitaan etenkin vaikeimpien ja monimutkaisimpien
käsitteiden selventämisessä. Monesti asiantuntijatieto on ns. “hiljaista
tietoa” eli se ei ole yksilölle itselleenkään täysin selvää, vaan se tieto
on vain käytössä. Etenkin kokemusten kautta hankittu tieto on usein
tällaista, ja vaaditaan erityisiä ponnisteluja, jotta se saadaan
käsitteellistettyä ja selvennettyä niin, että se voidaan pukea sanoiksi ja
muuntaa kognitiivisiksi artefakteiksi. Tässä prosessissa auttavat
harjaantuneet metakognitiiviset taidot.

Lopuksi

Ylläolevat ajatukset kuvastavat omia käsityksiäni aivojen toiminnasta ja
oppimisprosessista kirjoitushetkellä. Suuri osa ajatuksista pohjautuu
johonkin kirjaan ja siten joihinkin tutkimustuloksiin, mutta ne on
kirjoitettu tähän käyttäen tukena ainoastaan muutamaa itse tekemääni
käsitekarttaa. Tekstissä voi siis olla asiavirheitä tai väärin esitettyjä
asioita. Siellä on myös takuulla tieteellisesti osoitettujen asioiden
lisäksi pitkälle vietyjä johtopäätöksiä, joilla ei välttämättä ole
tieteellistä perustaa. Tämän kirjoituksen tarkoituksena on ensinnäkin
selventää minulle itselleni näitä ajatuksia ja toisaalta toimia muistin
tukena myöhemmin, sekä kehityksen osoittajana – voin vuoden, parin päästä
katsoa, kuinka naivilta tämä teksti näyttää ja siitä arvioida oman
kehittymiseni määrän.